日本能源新戰略:開採海底熱泉噴口礦藏

海底噴口 Image copyright Alamy

沖繩島屬於日本西南的琉球群島(Ryukyu Islands),在這一片狹長地帶數千米之下的海底,散落著一些已經熄滅的海底熱泉噴口。

由於國際社會對深海採礦的興趣日益濃厚,這些早已死亡的海底熱泉噴口處的礦物質正受到越來越多的關注。據悉,在這些散落的礦藏中,僅其中一處的鋅儲量就足以滿足日本一年的需求。對一個大量礦產資源依賴進口的國家來說,海底硫化物礦牀是誘人的潛在替代選擇。但要付出高昂代價:採礦可能會破壞寧靜的海域,危及獨特而脆弱的生態系統。

這些富含礦物質的礦牀,被稱為海底塊狀硫化物,標誌著曾經有滾燙的熱水,從靠近板塊邊界的海底地殼煙囪狀裂縫中湧上來,當冰冷的海水通過地殼的裂縫滲透下來,加熱並從岩石中浸出礦物質時,就形成了這些塊狀硫化物。

Image copyright Getty Images
Image caption 海底熱泉噴口是多種多樣生命的家園(Credit: Getty Images)

直到1977年人們才發現,這些噴口在活躍的時候是各種生命形式的家園,包括可以長達兩米多的管狀蠕蟲,身形沒有顏色的白色蝦蟹類和魚類,還有無數種微生物,它們獨特地適應了海底熱泉噴口炙熱而黑暗的生活環境。

這些噴口不會永遠存在。在數千年的時間裏,地殼構造力將這些噴口帶離板塊邊界更遠,它們變得越來越不活躍,逐漸冷卻、消沉。在這些休眠地點附近有礦牀,其中包括銅、鋅、鉛、金和銀等金屬。一個單獨的礦丘就可以容納數百萬噸的金屬礦石。

對日本來說,這些大型礦牀成為供應國內金屬需求的潛在資源。2013年,日本政府啟動了一項尋找這些礦牀的研究項目。儘管它們尋找規模很大,但是要找到這些礦牀還是很困難。

英國地質調查所(British Geological Survey)礦牀和有用物質調查小組組長魯斯蒂(Paul Lusty)乘坐科學考查船,考查了巴西沿岸的裏奧格蘭德海隆(Rio Grande Rise),他在考查船上發郵件稱。「遙感探測工具探測不到熱金屬排放。隨著時間的推移,它們可能被沉積物改變和覆蓋,最終被掩埋,在海底很難找到明確的位置。」

這項工作要在3000米深的海底進行,海底條件極其惡劣,水流洶湧。要確定這些礦牀的位置的確是一種挑戰,同時確定它們的規模也非常重要,它們有可能延伸到海底下幾十到幾百米。確定它們的規模有助於查明它們可以提供多少礦物資源。

Image copyright Alamy
Image caption 每個單獨的礦丘可以容納數百萬噸的金屬礦石(Credit: Alamy)

研究人員正在研發新的技術來解決這些問題。在東京的一家地球物理測量公司 JGI 的研發部總經理淺川(Eiichi Asakawa)說,利用聲波學是目前最有希望解決問題的方法,聲波從水下傳播到海底,遇堅硬的礦牀表面,聲波會被部分反射。「我們通過水聽器探測能接收到非常細緻、非常微弱的反射波。我們分析反射數據就能得到水下圖像。我們的系統非常先進,這可能是目前世界上最先進系統。」

自2014年以來,JGI就利用這些方法與日本海洋地球科學技術研究所(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)合作,進行了下一代海洋資源勘探技術項目。

其他研究人員主要使用電磁方法來識別礦牀。日本石油、天然氣和金屬國家公司(Japan Oil, Gas and Metals National Corporation)利用這些技術發現了6個大型礦牀,可能是開採的合適選擇。2017年,其中一個礦牀在初步試驗階段被挖掘出來,首次將大量礦石從海底向海面抬升了1600米。下一步是要看這能否在商業規模上發揮做用。

但這類活動伴隨著巨大的環境風險。皮尤信託(Pew Trust)海底採礦項目主管紐金特(Conn Nugent)表示,主要問題之一是,我們對海底環境和生態系統的了解非常少。儘管進行了幾十年的研究,但大多數海底區域尚未繪製成地圖。關於了解海底所支持的生態系統的研究更是少之又少。「對於深海採礦領域的研究很少有人探索過,」紐金特說。「所以我們是在空白的基礎上出發的。」

Image copyright Alamy
Image caption 由於完成的研究很少,我們對開採深海噴口的潛在環境成本知之甚少(Credit: Alamy)

魯斯蒂說,「滅絶的礦牀仍將有它們自己的生態系統存住,而這些生態系統可能受到干擾,目前嚴重缺乏關於生物和生態系統的基礎研究,對將要採用的採礦方法及其對深海生態系統影響的程度和持續時間都存在不確定性。」

對於國際水域的未來項目,國際海底管理局(International Seabed Authority)正在擬訂關於深海採礦的環境條例。紐金特正在就這些規定提出建議。他說,鑒於我們對這些潛在的採礦地點缺乏了解,最好的辦法是採取預防措施。

有毒的煙雲狀沉積物

當國際海底管理局的指導方針最終生效時,此類的規定可能只適用於國際水域,這些水域構成了海洋的大部分。但在公海之外,在沿海國家周圍的海洋,專屬經濟區內,各國都按照自己的規則行事。

深海採礦的潛在影響是廣泛的,會產生綿延數百公里的煙雲狀沉積物。這些煙雲狀沉積物是由於擾亂了海底生態而產生的,它們被認為是深海採礦的最大傷害,內含有毒物質,也可能會使它所覆蓋的海底生物窒息。海底水流的湍流讓我們很難預測這些煙雲狀沉積物如何擴散。

除了這些煙雲狀沉積物,如果採礦活動持續24小時,還會對野生生物產生其他形式的干擾。「我們知道,只要有船在海面作業就會給鳥類帶來夜間燈光;增加的航運噪音,對於有些海洋哺乳動物和魚類來說也是一個干擾。」埃克塞特大學(University of Exeter)生態學家湯普森(Kirsten Thompson)說,他正在研究深海採礦的潛在影響。

「我們能預測很多事情會與這類採礦活動有關,但有關的程度我們真的不知道。這是一個問題。」但是,魯斯蒂說,深海的環境影響可能會被一個巨大的好處所抵消。它們可能是一種比陸地上發現的金屬礦,含量更高的金屬資源。例如,陸上銅礦的礦石質量在10年內下降了25%。質量較差的礦石,每千克礦石中含銅量較少,這意味著提取金屬銅需要更多的能源和碳排放。

「這些海底礦牀的金屬含量,比我們在陸地上開採的同類礦牀要高得多,」魯斯蒂說。「因此,生產同樣數量的金屬,需要更少的礦石。減少採礦、碎石和研磨意味著減少能源消耗。」

Image copyright Alamy
Image caption 對海底熱泉噴口的探索提出了許多挑戰——這意味著這些陌生世界對科學家來說仍然是個謎(Credit: Alamy)

在建造太陽能和風能等可再生能源基礎設施方面,銅等金屬的需求量非常大。一些最大的陸基銅礦的銅礦石產量約為0.7%,而海底塊狀硫化物提煉出的含量要高出數倍。

魯斯蒂說,「開採深海金屬資源將導致對自然環境的干擾,但這些金屬對許多技術來說至關重要,而這些技術對於實現消除貧困、保護地球、確保人類的繁榮和可持續發展的目標而言,是至關重要的。」

湯普森說,要為再生能源技術提供原材料和保護深海之間找到一條路,是很艱難的。「我們需要一個去碳化的未來,但我們也知道,我們無法以目前的速度,維持這些資源的使用。」

湯普森認為,要更多地關注循環利用。從我們已經在使用的礦物和材料中,尋找解決辦法。「我們應該以一種更可持續的方式做到這一點,方法是:提高回收率,找到不需要開發那些資源的新型技術,」

日本最新能源戰略聲稱,它計劃進一步研究海底開採的大量硫化物。但它最終是否會以商業規模出現,還取決於礦牀的可獲得性和開採成本。能源戰略的另一部分是:注重礦物的再利用,「積極促進」新循環利用技術的發展。

海底熱泉噴口周圍的礦牀,只是未來幾年深海採礦的幾個興趣點之一。其他還包括在深海平原採礦,在富鹽水域探勘富含金屬的泥漿。但是總體來說,深海採礦和環境破壞之間的矛盾,尚未得到解決。

請訪問 BBC Future 閲讀 英文原文

更多有關此項報導的內容