摘要：深海礦產(chǎn)開發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境影響是目前制約深海采礦的重要問題之一，了解開發(fā)全過程的環(huán)境影響和生態(tài)響應(yīng)是商業(yè)化開采的前提。本文以多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物三種具有代表性的深海固體礦產(chǎn)資源為例，分析了開發(fā)前賦存環(huán)境、開發(fā)過程中及開發(fā)后的環(huán)境影響。結(jié)果表明：（1）不同深海固體礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律、深度以及生物特征等賦存環(huán)境存在較大差異，因采礦活動(dòng)帶來的賦存環(huán)境改變、對環(huán)境的影響以及采礦潛在影響區(qū)域、影響時(shí)長和恢復(fù)潛力也有所不同。（2）多金屬結(jié)核開采的環(huán)境影響著重考慮了沉積物羽流的影響，結(jié)殼開采活動(dòng)從沉積物擾動(dòng)、外殼去除以及棲息地改變?nèi)齻€(gè)方面考慮環(huán)境影響，多金屬硫化物開采的環(huán)境影響還要增加對有毒物質(zhì)的釋放以及棲息地移除兩個(gè)方面的考慮。（3）深海采礦對底棲生物種群的數(shù)量和物種組成皆會(huì)造成不同程度的影響。最后，從持續(xù)跟進(jìn)監(jiān)測評估、充實(shí)數(shù)據(jù)、提升采礦技術(shù)與設(shè)備、頂層設(shè)計(jì)與決策管理、規(guī)則制定等方面提出了環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展對策建議，為深海采礦的環(huán)境影響評價(jià)及規(guī)則制定提供參考。

隨著社會(huì)的發(fā)展，陸地金屬礦產(chǎn)的儲(chǔ)量正在迅速枯竭，深海礦物如多金屬結(jié)核、錳鐵殼以及在深海發(fā)現(xiàn)的熱液硫化物被認(rèn)為是戰(zhàn)略金屬的替代來源[1]。中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中對礦產(chǎn)資源的需求以及建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略需求，使勘探和開發(fā)深海礦產(chǎn)資源的形勢愈加緊迫[2]。深海海底在蘊(yùn)含豐富礦產(chǎn)資源的同時(shí)，也擁有一個(gè)復(fù)雜脆弱、恢復(fù)緩慢的生態(tài)系統(tǒng)[3]。而且，作為全球重要的生物多樣性和特有性儲(chǔ)藏庫，底棲生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能（如碳固存和養(yǎng)分循環(huán)），并包括多種生境，如軟沉積物深海平原、熱液噴口、海山、大陸斜坡和海底峽谷等。底棲生態(tài)系統(tǒng)包括多種生境，如沉積物深海平原、熱液噴口、海山、大陸斜坡和海底峽谷等[4]，是全球重要的生物多樣性和特有性儲(chǔ)藏庫，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能 (如碳固存和養(yǎng)分循環(huán)) [5]。深海礦產(chǎn)資源的勘探和開采過程中對周圍環(huán)境產(chǎn)生的干擾極易對上述生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。一般認(rèn)為，深海采礦的影響可概括3種：①采礦系統(tǒng)對海底環(huán)境，尤其是海底系統(tǒng)的影響；②采礦船廢液、廢水排放對環(huán)氧環(huán)境特別是表層水域的影響；③陸上加工處理造成的環(huán)境影響[6]。

本文以多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物三種具有開發(fā)前景和商業(yè)開采價(jià)值的深海固體礦產(chǎn)資源為代表，以開發(fā)全過程環(huán)境（開發(fā)前賦存的相對靜態(tài)環(huán)境、開發(fā)過程中的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)環(huán)境和開發(fā)后的相對靜態(tài)環(huán)境）為研究對象，以深海采礦前、過程中、采礦后的環(huán)境變化狀況和生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)為主線，對海底礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中原有海洋環(huán)境所受的影響進(jìn)行整體研究（圖1），并針對如何減少深海采礦對海洋環(huán)境的擾動(dòng)開展定性分析，擬為深海采礦的海洋環(huán)境影響評價(jià)及規(guī)則制定提供參考和依據(jù)，為深海礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中海洋環(huán)境管理計(jì)劃的制定提供參考，以促進(jìn)深海礦產(chǎn)資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 深海礦產(chǎn)開采對環(huán)境影響研究框架

Fig.1 Research framework for environmental impact resulting from deep-sea mineral exploitation

1 深海固體礦產(chǎn)資源賦存環(huán)境

對深海礦產(chǎn)資源賦存環(huán)境的有效把握是礦產(chǎn)資源開采的前提，也是礦產(chǎn)開采環(huán)境影響評估的重要一環(huán)。本文分析了3種代表性深海固體礦產(chǎn)的分布規(guī)律、分布深度、基本環(huán)境、生物特征及主要元素（表1）。

1.1 多金屬結(jié)核

多金屬結(jié)核也稱鐵錳結(jié)核，是由鐵的氫氧化物和錳的氧化物組成的結(jié)核狀礦物集合體，主要分布在深海（水下約4 000～6 500 m）平原上[7-8]，分布豐度為5～20 kg/m2[14]，在3種深海固體礦產(chǎn)資源中分布水深最深。多金屬結(jié)核與海底沉積物共存在深海沉積物表層或向下10 cm內(nèi)形成的二維沉積物中。結(jié)核的Mn、Co、Ni、Cu等元素含量較高，具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[8]。結(jié)核主要分布在太平洋，其次是印度洋。位于東北太平洋海盆的克拉里昂-克里帕頓斷裂帶之間的地區(qū)（Clarion Clipperton Fracture Zone，CCFZ）是多金屬結(jié)核經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的地區(qū)，位于熱帶太平洋東部和印度洋中部的結(jié)核因富含稀土元素等金屬而具有特殊的經(jīng)濟(jì)利益[15]。

采用可預(yù)測機(jī)器模型分析結(jié)核生長環(huán)境條件，結(jié)果顯示結(jié)核形成的條件重要度排序從高到低依次為：低沉降速率、中等高氧值、黏土巖性、夏季低海面生產(chǎn)力、較低底棲生物密度、水深>4 500 m、較低總有機(jī)碳含量[9]。盡管目前未見有深海沉積物中多金屬結(jié)核生成與深海生態(tài)系統(tǒng)之間存在關(guān)系的結(jié)論和證據(jù)，然而結(jié)核的生長似乎依賴于底棲大型動(dòng)物的活動(dòng)，低密度的底棲大型動(dòng)物足以通過擾動(dòng)和覓食等活動(dòng)進(jìn)行沉積物再分配，從而達(dá)到結(jié)核再生長或不再被沉積物覆蓋的效果[9]，結(jié)核反過來為固著生物提供了有價(jià)值的堅(jiān)硬基質(zhì)，并為縫隙居住的動(dòng)物提供了棲息地[9]。

1.2 富鈷結(jié)殼

富鈷結(jié)殼又稱鐵錳結(jié)殼、錳結(jié)殼或鈷結(jié)殼，是通過水合氧化錳或水合氧化鐵膠體沉積到大洋深部任何固結(jié)的底質(zhì)上形成的[16]，主要分布在海山的山頂和側(cè)翼、海臺(tái)以及寬鞍狀結(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬巖石表面（水下約800～3 000 m）[8-9]。富鈷結(jié)殼中含有Co、Ni、Te、Pt、REE等金屬元素，主要分布在太平洋、大西洋和印度洋。富鈷結(jié)殼大多與堅(jiān)硬的基巖表面緊密相連，最厚和最具經(jīng)濟(jì)意義的結(jié)殼形成在水深800～2 500 m的海山峰頂?shù)耐饩壓桶盃畈浚銫o和Ni的含量較高[15-17]。

含有富鈷結(jié)殼的海山區(qū)域可能存在底棲動(dòng)物和微生物群落。底棲動(dòng)物通常生長緩慢、壽命較長、對機(jī)械干擾敏感。研究顯示，微生物群落可能參與了富鈷結(jié)殼區(qū)域的硫、氮和金屬循環(huán)，硫氧化和金屬氧化是這一生態(tài)系統(tǒng)潛在的主要能源來源[11]。

1.3 多金屬硫化物

多金屬硫化物是海底高溫?zé)嵋夯顒?dòng)的產(chǎn)物，是由灼熱的海水（高達(dá)350 ℃）從海底上升并以海底煙囪（“黑煙囪”）或圓頂?shù)男问匠恋沓鼋龅慕饘俣纬傻腫8]。不同于多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼，硫化物礦床形成局部的三維體[8,13]，多金屬硫化物含有Cu、Zn、Pb、Au、Ag等金屬，主要分布于大洋中脊、火山弧和弧后擴(kuò)張中心的熱液區(qū)。其中2/3的熱液系統(tǒng)與洋中脊相連，1/3與島弧系統(tǒng)相連[12]。最早發(fā)現(xiàn)的熱液噴口位于東太平洋隆起的洋中脊，且熱液噴口的出現(xiàn)頻率與其擴(kuò)展速率之間存在明顯的聯(lián)系，這決定于巖漿作用的強(qiáng)度。

富含多金屬硫化物的熱液礦床附近的獨(dú)特生物群落，構(gòu)成了具有世界上唯一完全由化學(xué)合成的獨(dú)特底棲生態(tài)系統(tǒng)，生產(chǎn)力非常高，具有較高的內(nèi)在經(jīng)濟(jì)價(jià)值[13]。噴口附近的大部分底棲生物將會(huì)因采礦活動(dòng)而受到影響。

2 開采過程可能產(chǎn)生的環(huán)境影響

深海固體礦產(chǎn)資源的開采會(huì)對其原有賦存環(huán)境有一定的影響。礦產(chǎn)提取、采集、提升、洗滌、海上處理、及運(yùn)輸過程都會(huì)對原有海洋的海底、水柱和海面環(huán)境產(chǎn)生不同程度影響[18]。多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物三種礦產(chǎn)資源開發(fā)過程對海洋環(huán)境的影響具備一定程度的相似性，共性主要體現(xiàn)在：①對海底區(qū)域的影響。深海采礦活動(dòng)可能會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)而對海底賦存環(huán)境產(chǎn)生直接影響，例如礦產(chǎn)開采工具工作過程對海底的影響、來自過濾水體的次表層羽流對海底區(qū)域產(chǎn)生的潛在影響等，主要包括礦物與棲息地的遷移、羽流、光、噪音和振動(dòng)[18]。②對水體的影響。礦產(chǎn)提升過程中，來自加工機(jī)械的廢物、油污和噪音污染等也會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響[19]。③對海面區(qū)域的影響。輸送管道向上運(yùn)礦、生產(chǎn)支持船、礦從生產(chǎn)支持船作支撐、駁船/散貨船礦物轉(zhuǎn)移等礦產(chǎn)收集過程會(huì)對海面產(chǎn)生潛在影響，包括照明、噪音、常規(guī)排放、以及其他影響[19]。

不同礦產(chǎn)的開采對海底區(qū)域的影響因礦產(chǎn)的種類、賦存環(huán)境、采礦工具和采礦方式的不同而有所差異。3種礦產(chǎn)開采的開采裝置、方式以及環(huán)境影響評價(jià)角度如表2所示。礦石采掘裝備是海底礦床開采的核心裝備之一，主要用于將礦床剝離基巖或沉積物，兼具切割和掘進(jìn)的功能。結(jié)核的開采多采用水力式采掘方式，通過高壓水流在結(jié)核周圍的負(fù)壓抽吸完成礦石采掘[2]。本文從結(jié)核提取和集礦作業(yè)兩個(gè)方面對結(jié)核的開采進(jìn)行環(huán)境影響分析。富鈷結(jié)殼的開采一般使用螺旋滾筒采掘裝置將其與基巖剝離采掘[2]，富鈷結(jié)殼與下伏巖石表面相連接，而該表面常常不規(guī)則，這給富鈷結(jié)殼采礦機(jī)帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。采礦機(jī)需要確定刀具前方的地殼厚度，并不斷調(diào)整切削深度以匹配該厚度[20]。多金屬硫化物的采掘裝備兼具切削和掘進(jìn)功能，一般采用輔助切割機(jī)或多功能一體化采掘裝備[2]。本文從表面切割、硫化物提取和集礦作業(yè)三個(gè)方面對多金屬硫化物的開采進(jìn)行環(huán)境影響分析。

2.1 多金屬結(jié)核開采

多金屬結(jié)核采礦活動(dòng)發(fā)生在水深4 000～6 500 m的深海底平原區(qū)（圖2）[21]。多金屬結(jié)核的存在較大提升了沉積物的硬度。海底結(jié)核與沉積物的比例平均為為1：9[22]，這意味著當(dāng)結(jié)核被提取時(shí)，占總物質(zhì)90%的沉積物也會(huì)受到擾動(dòng)[18]。同時(shí)，結(jié)核的提取可能會(huì)永久性地改變海底形態(tài)、海底群落和與之相關(guān)的特殊動(dòng)物群[23]，主要風(fēng)險(xiǎn)和影響見表3。

注：引自文獻(xiàn) [21]

圖2 深海多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)及潛在環(huán)境影響來源示意圖

Fig.2 Schematic diagram of deep-sea polymetallic nodules mining system and potential environmental impact sources

結(jié)核提取對賦存環(huán)境的影響可分為沉積物擾動(dòng)、海底形態(tài)改變以及棲息地改變?nèi)齻€(gè)方面。沉積物擾動(dòng)產(chǎn)生的含沙羽流在光區(qū) (深度<200 m) 釋放可能會(huì)減少光的穿透，阻礙浮游生物的生長，或釋放深海營養(yǎng)物質(zhì)，增加生產(chǎn)力的食物鏈效應(yīng)。同時(shí)，在海床附近的沉積物羽流含有顆粒載荷，盡管影響時(shí)長僅為采礦期間，但是其潛在擴(kuò)散區(qū)域?qū)⑷Q于采礦過程和當(dāng)?shù)爻绷鳎赡艹鰢H海底管理局批準(zhǔn)的合同區(qū)域（最大 7 500 km2）邊界幾千米。這樣的擴(kuò)散會(huì)使深海底棲生物窒息，而且其恢復(fù)可能非常緩慢，尤其是在受影響嚴(yán)重的地區(qū)。根據(jù)相對于采礦和/或沉積物羽流影響的位置，沉積物的粒度可能會(huì)向更粗或更細(xì)方向變化，從而造成棲息地沉積物成分的改變。羽流背景沉積速率較低，因而這種改變可能會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。同時(shí)，沉積物的擾動(dòng)也可能導(dǎo)致具有生物毒性的硫化物、有機(jī)污染物和重金屬的釋放[24-25]。最細(xì)的顆粒在水柱中停留的時(shí)間最長，因此被輸送的距離最遠(yuǎn)。由于其具有吸附特性，這部分沉積物可能含有最高濃度的有害物質(zhì)[26]。

多金屬結(jié)核的開發(fā)過程包括清除結(jié)核、徹底干擾海床并對其壓實(shí)的過程 (表 3)，從而改變海底形態(tài)。這個(gè)過程產(chǎn)生的影響是長期的，通常為幾百至幾千年，因?yàn)橐粋€(gè)非致密的表層沉積物可能要經(jīng)過幾百到幾千年才能重新形成。對于幾百年才可以形成的沉積物和已經(jīng)存在了數(shù)百萬年的結(jié)核來說，受擾動(dòng)后的恢復(fù)過程是極其緩慢的[3]。

海底集礦機(jī)在水下開展集礦作業(yè)時(shí)，海底和船舶作業(yè)的物理擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生水下噪音[27]（表3）。據(jù)估計(jì)，海底集礦機(jī)產(chǎn)生的噪音輸出與噪音較大的貨船相當(dāng)且集中在低頻率（<1 kHz）[28]。低頻噪聲可傳播600 km，對15 km以內(nèi)的海洋哺乳動(dòng)物產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。其對海洋哺乳動(dòng)物產(chǎn)生的掩蔽效應(yīng)，使其可能會(huì)暫時(shí)離開。

綜上，對沉積物羽流影響的評估具有至關(guān)重要 的意義，因?yàn)樗鼈兛赡苁菇Y(jié)核開采的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出開采地區(qū)域，使影響擴(kuò)大。因此，充分估計(jì)沉積物的擴(kuò)散范圍是估計(jì)海底礦物開采對海洋影響的關(guān)鍵問題。本文以深海多金屬結(jié)核開采對深海沉積物的擾動(dòng)為例，定性研究了對采礦過程中因沉積物擾動(dòng)而引發(fā)的潛在羽流（圖 3）。由于采礦系統(tǒng)尚未進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)作，深海結(jié)核開采的具體配置尚不清晰，而水力集礦結(jié)合結(jié)核收集器目前被認(rèn)為是最可行的提取方法之一[29]。因此，需考慮利用此方法時(shí)基本開采過程對環(huán)境的影響，這一過程包括從海底收集的結(jié)核和沉積物的半液體層由液壓運(yùn)輸泵系統(tǒng)提升到采礦支持船上，含礦泥漿被脫水，殘留的沉積物被泵回大海[23]。在多金屬結(jié)核的提取過程中，沉積物會(huì)受到采礦設(shè)備的物理擾動(dòng)，導(dǎo)致了海底附近和水柱中沉積物柱的產(chǎn)生（圖 3），此外結(jié)核采集過程去除了表層沉積物，將懸浮固體擴(kuò)散到水體中，導(dǎo)致水柱中羽流的產(chǎn)生[30]。羽流的另一個(gè)潛在來源是輸送到海洋采礦平臺(tái)的物質(zhì)，在平臺(tái)提取的物質(zhì)可以從水和沉積物中分離出來，轉(zhuǎn)移到運(yùn)輸容器中[31]。在集料萃取過程中，也有類似的過程，即通過篩選將所需物質(zhì)與其余提取物分離，多余部分釋放到海面，這可能會(huì)在更大的區(qū)域內(nèi)造成更廣泛的擴(kuò)散效應(yīng)。沉積物分散改變了水的化學(xué)性質(zhì)和海底沉積物組成[32-33]。綜上，羽流的擴(kuò)散程度取決于羽流釋放的深度、局部海流和釋放物質(zhì)的量以及釋放時(shí)間的長短等因素，受其影響的潛在區(qū)域可能非常大，可能會(huì)達(dá)到數(shù)千平方千米。

2.2 富鈷結(jié)殼開采

富鈷結(jié)殼的開采活動(dòng)發(fā)生在水深 800～3 000 m 的深海海底礦山地區(qū)（圖 4）[21]。受富鈷結(jié)殼開采影響的生態(tài)系統(tǒng)與結(jié)核區(qū)生態(tài)系統(tǒng)大不相同，由包括海山動(dòng)物群（大多數(shù)附著在堅(jiān)硬的基底上）以及生活在鄰近沉積區(qū)等的多種物種組成。

結(jié)殼開采活動(dòng)分為沉積物擾動(dòng)、外殼去除以及棲息地改變?nèi)齻€(gè)方面（圖 4），本文結(jié)合結(jié)殼開采過程中集礦作業(yè)產(chǎn)生的噪音對賦存環(huán)境的影響進(jìn)行分析（表 4）。開采過程對環(huán)境的部分影響與多金屬結(jié)核開采相似。例如，在富鈷結(jié)殼的開采中同樣會(huì)因沉積物擾動(dòng)而導(dǎo)致含沉積物的柱狀水柱、顆粒載荷以及沉積物粒度改變，集礦作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音等（表 4）。不同的是，在結(jié)殼開采中，羽流很可能順著海底山的側(cè)翼流下，從而加大受影響的范圍，甚至包括未開采區(qū)域。底部的浮游動(dòng)物和捕食懸浮物的生物可能會(huì)因此而窒息死亡（表 4）。

注：引自文獻(xiàn)[21]。

圖4 深海富鈷結(jié)殼采礦系統(tǒng)示意及其潛在環(huán)境影響來源示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of deep-sea cobalt-rich crust mining system and its potential environmental impact sources

由于富鈷結(jié)殼的賦存環(huán)境多為海山等堅(jiān)硬巖石表面，當(dāng)富鈷結(jié)殼的開采去除了部分外殼時(shí)，產(chǎn)生的影響是長期的，可能是幾百年到幾千年。同時(shí)，因?yàn)檫@一過程會(huì)導(dǎo)致附著在外殼上生存的動(dòng)物棲息地被破壞，從而導(dǎo)致表面生物數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)和密度改變，其恢復(fù)也可能很慢，通常為幾十年到幾百年[21]（表 4）。而且因?yàn)樾枰獜暮Ｉ奖砻嫜心セ蚬蔚敉鈿ぃ耘c結(jié)核開采相比，富鈷結(jié)殼開采時(shí)產(chǎn)生的海底噪音可能更大。

2.3 多金屬硫化物開采

海底硫化物開采活動(dòng)發(fā)生在水深 1 000～3 500 m 的深海海底區(qū)域，這里聚集有豐富的海底動(dòng)植物群落、噬硫細(xì)菌、無脊椎生物等，它們依靠硫礦生存，開采硫礦必然會(huì)對這些海底生物及其底棲環(huán)境造成一定的影響[34]。在海底區(qū)域，與多金屬結(jié)核以及富鈷結(jié)殼開采不同的是，除了用于硫化物開采的海底生產(chǎn)工具（例如海底泵）的使用、來自海面的管道在海底釋放的過濾水體羽流會(huì)對海底地區(qū)產(chǎn)生潛在影響之外，多金屬硫化物的開采還需對硫化物沉積層表面進(jìn)行切割。切割會(huì)帶來局部羽流，其范圍可能非常大，可達(dá)到數(shù)千平方千米。這取決于局部海流、釋放物質(zhì)的量以及釋放時(shí)間的長短（圖 5）[21]。

多金屬硫化物的開采除了表層切割導(dǎo)致的沉積層表面破壞，產(chǎn)生含沉積物的柱狀水柱、顆粒載荷以及沉積物粒度改變以外，硫化物的提取還會(huì)導(dǎo)致有毒物質(zhì)的釋放以及棲息地的移除。其中，有毒物質(zhì)的釋放會(huì)導(dǎo)致周圍環(huán)境受到影響[21]。該毒素可能會(huì)對底浮游動(dòng)物群等有毒性作用，進(jìn)一步導(dǎo)致食物鏈中所有營養(yǎng)層生物體的損失（表 5）。其影響范圍將取決于采礦過程和當(dāng)?shù)爻绷鳎锌赡軙?huì)擴(kuò)散到礦區(qū)邊界外數(shù)千米處。海床上沉積物水柱及有毒金屬和金屬化合物的影響，可能會(huì)在采礦活動(dòng)結(jié)束之后持續(xù)數(shù)年時(shí)間，在此影響中恢復(fù)可能需要幾年時(shí)間。海底硫化物開采對環(huán)境影響時(shí)長與熱液噴口的活躍度有關(guān)，在不活躍的噴口，從化學(xué)污染中恢復(fù)可能需要更長的時(shí)間（表 5）。在活躍的熱液噴口位置，受影響時(shí)長較短，可能在開采階段之后的幾年內(nèi)受到影響，同時(shí)恢復(fù)潛力較大。但是在不活躍的噴口位置受影響時(shí)長較長，由于開采造成表面存在有毒的金屬和漫長的動(dòng)物群世代交替，環(huán)境恢復(fù)時(shí)間可能是數(shù)百年，而且恢復(fù)潛力較小。

注：引自文獻(xiàn)[21] 。

圖5 深海塊狀硫化物采礦系統(tǒng)及其潛在環(huán)境影響來源示意圖

Fig. 5 Schematic diagram of deep-sea massive sulfide mining system and its potential environmental impact sources

3 開采后環(huán)境影響監(jiān)測分析

深海礦產(chǎn)開采對環(huán)境的影響不僅發(fā)生在采礦期間，在開采后較長一段時(shí)間內(nèi)仍存在。已有學(xué)者對深海礦產(chǎn)開發(fā)后環(huán)境影響與監(jiān)測進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，了解自然環(huán)境條件被稱為基線研究，進(jìn)行人工影響被稱為擾動(dòng)，評估海底條件的變化被稱為監(jiān)測[1]。

1991—1993 年，美國國家海洋和大氣管理局（The US National Oceanic and Atmospheric Administration）在太平洋 CCFZ 進(jìn)行了海底影響實(shí)驗(yàn)。在預(yù)先選定的區(qū)域進(jìn)行基線研究后，在 150 m×3 000 m 的區(qū)域使用了 49 次深海沉積物再懸浮系統(tǒng)[35] 進(jìn)行擾動(dòng)。擾動(dòng)后的采樣結(jié)果表明，該地區(qū)的動(dòng)物分布發(fā)生了變化[36]。9 個(gè)月后的監(jiān)測結(jié)果表明（表 6），部分小型底棲動(dòng)物的豐度下降，大型底棲動(dòng)物的數(shù)量增加，這可能由食物供應(yīng)的增加所致 [37]。

1994—1997 年，日本金屬礦業(yè)事業(yè)團(tuán)（metal Mining Agency of Japan）利用深海沉積物再懸浮系統(tǒng)在太平洋 CCFZ 進(jìn)行了深海環(huán)境影響評估實(shí)驗(yàn)，用于評估與錳結(jié)核開發(fā)相關(guān)的環(huán)境影響過程。該實(shí)驗(yàn)在 2 個(gè) 1 600 m 長的平行軌道上選取了 19 個(gè)橫斷面進(jìn)行了擾動(dòng)[38]，依據(jù)沉積物樣品、深海成像、沉積物收集器和海流計(jì)等顯示的結(jié)果對實(shí)驗(yàn)影響進(jìn)行了評估。評估結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，沉積物區(qū)小型底棲生物的豐度立即下降，2 年后恢復(fù)到原始水平，但物種組成卻不一致，且某些大型和大型底棲生物類群的豐度仍低于未受干擾地區(qū)[39]（表 6）。2011—2012 年（即擾動(dòng) 17～18 a 后），深海資源開發(fā)公司（Deep Ocean Resources Development Co., Ltd.）在該區(qū)域進(jìn)行了再監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，盡管沉積物的化學(xué)成分因海底擾動(dòng)而暫時(shí)發(fā)生變化，但這種變化僅限于 0.5 cm 以內(nèi)的表層，并隨著時(shí)間的推移而減少直至接近原始水平[40]。

1988—1998 年，德國漢堡大學(xué)科學(xué)家在太平洋的秘魯盆地進(jìn)行了干擾與再附著（Disturbance and Recolonisation）實(shí)驗(yàn)，采集干擾前基線環(huán)境數(shù)據(jù)和在 10.8 km2 的圓形區(qū)域內(nèi)使用犁耙造成擾動(dòng)的數(shù)據(jù)[41]。干擾后對 6 個(gè)月、3 a 和 7 a 后的影響與再附著進(jìn)行了監(jiān)測。研究結(jié)果表明，經(jīng)過一段時(shí)間后，雖然某些底棲生物種群可能出現(xiàn)數(shù)量上的恢復(fù)，但其動(dòng)物種群組成與未受干擾的動(dòng)物種群并不相同[42]（表 6）。

Jones 等[29] 提出多金屬結(jié)核開采的影響可能是長期的，從他們開展的 11 個(gè)模擬或測試多金屬結(jié)核采礦干擾的分析結(jié)果（表 6）來看，底棲動(dòng)物群落密度和多樣性會(huì)受到嚴(yán)重影響，而且很少有動(dòng)物群在 20 a 后恢復(fù)到基線或控制條件。

盡管當(dāng)前對深海采礦環(huán)境造成的影響進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)和估計(jì)，但是研究的范圍仍然有限。在研究種類上，大多深海采礦對環(huán)境的影響研究主要集中在沉積物的干擾與恢復(fù)方面，極少數(shù)研究了刮擦海床的影響。在研究規(guī)模上，與商業(yè)采礦相比，以上實(shí)驗(yàn)在持續(xù)時(shí)間、覆蓋面積和再懸浮量方面均可視為微尺度試驗(yàn)。而采礦范圍的不同將直接影響再沉積的面積和厚度。現(xiàn)在仍有許多問題未得到解答，其中一個(gè)主要問題是：今后 20 a 會(huì)出現(xiàn)怎樣的采礦系統(tǒng)作為環(huán)境測試的基礎(chǔ)[1]。現(xiàn)在無法確定具體的商業(yè)規(guī)模，因?yàn)椴傻V的規(guī)模和類型會(huì)隨著礦產(chǎn)種類不同和生產(chǎn)目標(biāo)的不同而改變[43]。深海固體礦產(chǎn)資源開采對海洋地球化學(xué)特征的改變也將間接對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[44]。因此，今后應(yīng)該盡量嘗試在較大尺度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最好在試點(diǎn)采礦系統(tǒng)中進(jìn)行環(huán)境影響的研究，以期在采礦擾動(dòng)的懸浮再沉積和底棲生態(tài)系統(tǒng)等方面獲得更加真實(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)。除此之外，由于深海實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)前后的情況需進(jìn)行定量比較，而目前在指標(biāo)選取、影響評估和監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方面尚未就參數(shù)達(dá)成一致，因此，國際海底管理局（簡稱“管理局”）的環(huán)境準(zhǔn)則應(yīng)與其他環(huán)境影響評估模板保持一致[45]。

真實(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境數(shù)據(jù)是制定深海商業(yè)開采法律及有關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)。現(xiàn)有海底影響實(shí)驗(yàn)是為了積累許多環(huán)境事實(shí)，但海底商業(yè)開采影響數(shù)據(jù)不足。盡管現(xiàn)有國際法律對有關(guān)深海礦產(chǎn)資源的探礦和勘探規(guī)章進(jìn)行了有關(guān)保護(hù)和保全海洋環(huán)境內(nèi)容的規(guī)定，但商業(yè)開采對環(huán)境的影響尚沒有可依據(jù)的法律。未來需要在商業(yè)開采對環(huán)境影響研究的基礎(chǔ)上，充實(shí)有關(guān)深海采礦規(guī)則和條例對商業(yè)開采環(huán)境影響的具體和可衡量的規(guī)定。

4 深海采礦的環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展對策建議

上文從多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物等主要深海礦產(chǎn)資源的采礦活動(dòng)過程入手，通過分析其賦存環(huán)境、開采中擾動(dòng)環(huán)境和開采后監(jiān)測環(huán)境影響，總結(jié)了沉積物羽流、集礦作業(yè)的噪音等對海洋環(huán)境的影響。針對深海采礦的環(huán)境保護(hù)面臨的問題與可持續(xù)發(fā)展的需求，從環(huán)境評估、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備創(chuàng)新、規(guī)則制定等方面提出以下對策建議。

1）持續(xù)跟進(jìn)開發(fā)環(huán)境預(yù)評估、實(shí)時(shí)監(jiān)測及影響評估、開采后評估

深海礦產(chǎn)資源開采對環(huán)境影響的研究應(yīng)結(jié)合采礦規(guī)模和采礦方法，依次進(jìn)行預(yù)評估、實(shí)時(shí)監(jiān)控及影響評估、開采后評估，將環(huán)境保護(hù)意識(shí)貫徹整個(gè)采礦過程。

由于目前對不同采礦環(huán)境下恢復(fù)研究不足，采礦實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在采礦規(guī)模與種類上進(jìn)行充實(shí)，應(yīng)更注重對采礦前后環(huán)境變化、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程與時(shí)長的研究，并在開采結(jié)束后進(jìn)行長期且連續(xù)的恢復(fù)監(jiān)測及評價(jià)。依據(jù)不同礦產(chǎn)種類、海域以及海底采礦規(guī)模建立針對性監(jiān)測評估體系，全方位完善環(huán)境影響監(jiān)測技術(shù)體系[46]。該研究可加深對采礦系統(tǒng)恢復(fù)潛力的認(rèn)識(shí)，為采礦預(yù)評估、采礦過程控制以及開采后恢復(fù)提供參考。

2）充實(shí)并加大深海采礦環(huán)境評估有關(guān)數(shù)據(jù)的采集

深海礦物開采過程環(huán)境評估仍受到多方面的限制，主要有基線數(shù)據(jù)不足、采礦作業(yè)的細(xì)節(jié)不足、數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)方法的綜合性不足、評估和考慮不確定性差、對間接影響的評估不夠、對累積影響的處理不夠、風(fēng)險(xiǎn)評估不夠以及考慮環(huán)評與其他管理計(jì)劃的聯(lián)系不足等[47]。

目前，關(guān)于深海采礦環(huán)境評價(jià)皆為試驗(yàn)性階段。Markussen[48] 提出“試驗(yàn)性”環(huán)境影響評價(jià)的研究應(yīng)在試驗(yàn)采礦系統(tǒng)進(jìn)行，以便在深海海底采礦對環(huán)境的預(yù)期影響方面提供更現(xiàn)實(shí)的資料。而在對深海采礦的現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行工程和環(huán)境評估時(shí)，Chung 等[43] 認(rèn)為在規(guī)模和系統(tǒng)上測試足以代表商業(yè)采礦規(guī)模的底棲生物擾動(dòng)。不管采用何種方法，深海采礦環(huán)境數(shù)據(jù)的收集都有利于更好地評價(jià)深海采礦的潛在影響和制定減輕影響的措施。

3）依據(jù)環(huán)境保護(hù)需求進(jìn)一步加強(qiáng)采礦技術(shù)與設(shè)備創(chuàng)新研究

深海礦產(chǎn)資源開采過程，即為采礦設(shè)備對相關(guān)海底及海域環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)的過程。為了使相關(guān)區(qū)域受采礦影響最小，礦產(chǎn)收集系統(tǒng)與海底環(huán)境的相互作用應(yīng)該最小：從沉積物（或其他碎片）中分離礦物時(shí)，應(yīng)盡可能靠近海床，以減少中層水的影響，但此舉有可能增加對底棲生物和深海生物群落的影響；進(jìn)行條形（或“斑塊”）采礦，留下交替的未受干擾的海底條形，讓鄰近地區(qū)的生物重新繁殖；底水和碎屑的排放應(yīng)在水柱的不同水平，最好是在含氧量最低的區(qū)域以下，因?yàn)槟抢锏膭?dòng)物密度相對較低。

通過深海固體礦產(chǎn)資源開采過程中相關(guān)設(shè)備對環(huán)境影響的研究，對采礦設(shè)備在開采過程中的布局和技術(shù)提出進(jìn)一步的要求。在確立深海礦產(chǎn)資源開發(fā)發(fā)展理念的基礎(chǔ)上，明確關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)任務(wù)，實(shí)施深海多金屬結(jié)核開采示范工程[2]。在多金屬結(jié)核開采中，通過開發(fā)低擾動(dòng)行走、精確采集結(jié)核的設(shè)備，減少對深海沉積物的擾動(dòng)。從開采后恢復(fù)潛力角度考慮，在多金屬硫化物的開采方面，應(yīng)多研發(fā)適于在活躍海底火山口使用的設(shè)備，減少在非活躍火山口的開采。除此之外，控制海底固體礦產(chǎn)開采中廢水廢物的排放過程，例如通過設(shè)定合適的排放高度盡量減少羽流沉積物的擴(kuò)散范圍。在現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能等新興技術(shù)的支持下，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)系統(tǒng)可以在提高精準(zhǔn)作業(yè)、協(xié)同控制、長期運(yùn)維和實(shí)時(shí)調(diào)控等方面，進(jìn)行高精度和智能化的開采裝備研究[2]。

4）深海采礦環(huán)境保護(hù)規(guī)則應(yīng)與自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)緊密結(jié)合

《聯(lián)合國海洋法公約》第十一部分第 145 條授權(quán)管理局制定適當(dāng)?shù)囊?guī)則和規(guī)章，以保護(hù)海洋環(huán)境不受“ 區(qū)域”內(nèi)礦產(chǎn)勘探和開發(fā)活動(dòng)的影響[49]。為了更好地對深海環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，深海采礦環(huán)境保護(hù)規(guī)則需要同時(shí)從自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)方面考慮。從自然科學(xué)的角度分析深海采礦對環(huán)境的影響，為深海采礦區(qū)環(huán)境保護(hù)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)；從社會(huì)科學(xué)角度考慮平衡利益相關(guān)者，分析礦業(yè)利益和環(huán)境保護(hù)之間的平衡。

5）推進(jìn)深海固體礦產(chǎn)資源開采環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律制定進(jìn)程

基于海底礦產(chǎn)資源開發(fā)與海洋環(huán)境保護(hù)和保全并重的理念[50]，相關(guān)規(guī)則和法律制度制定對海洋環(huán)境的保護(hù)與完善有極大意義。在進(jìn)行海底資源開發(fā)時(shí)應(yīng)始終堅(jiān)持海洋環(huán)境保護(hù)原則，堅(jiān)持先評估后開采，遵守深海底環(huán)境保護(hù)第一、合理開發(fā)海底資源第二的原則。應(yīng)健全深海礦產(chǎn)資源開采相關(guān)環(huán)境問題的責(zé)任制度，規(guī)范深海底資源開發(fā)行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。