日前，中国地质调查局青岛海洋地质研究所自主研发的“一种深海原位种植热液金属硫化物矿床的系统”获得了国家发明专利授权，专利号：201710228147.X。专利涉及现代大洋金属硫化物资源勘探和开采技术领域，特别涉及洋中脊和弧后盆地当前存在的金属硫化物矿床的控制生长和开采。 

该专利系统提供了一种新颖的海底热液硫化物控制种植，并且按需集约化采集的一体化方案。根据海底自然生长的热液硫化物烟囱体的“二阶段模式”和热液矿物沉淀动力学的规律，通过控制流体与海水的交换速率、范围，从而控制成矿温度，并有效减少热液流体中成矿物质的逃逸，使硫化物矿床能快速在原地生长。变过去在热液场随机勘探为集约式的控制种植，从而提高矿石的品味，优选矿石的类型，控制矿床的形状，同时减少开发可能带来的环境风险，变海底热液场为出产定制形状和品位的小型硫化物床的“种植园”，使海底热液矿产游牧式勘探开发进入到按需种植培养阶段，具有颠覆性的创新意义。

据了解，现代深海热液硫化物矿床是具有战略意义的金属矿产资源，在全球大洋水深数百米到4000米处均有分布，到目前为止，已经发现了约160余处，具有可观的资源保有量。由于各种原因限制，当前海底金属硫化物的勘探开采仍存在很大困难，特别是在勘探上还处于在茫茫大海上四处找矿的阶段，并且当海底采矿一旦进入实施阶段，就会不可避免地对海洋环境带来风险并破坏热液区独特的生物生态群落。

近些年，深海矿产资源勘查开发引起了世界各国的高度重视，海底技术进步、原材料价格上涨和价格大幅波动造成的原材料供应风险，已成为推动各国开展海洋矿产资源商业化开发的三大驱动力。近日，《地质调查动态》撰文对深海采矿现状、面临的主要挑战进行了深入探讨，并对深海采矿的前景进行展望，本期摘编其精华内容。

●海底矿床勘查目前正在加速进行，不断有国家或公司要求签订新的合同，其中在公海地区进行的勘查项目需经国际海底管理局批准。

●虽然开采海底矿产的技术取得重大进展，但还远远不够，亟待开展技术创新，采用降低成本的绿色技术是未来深海采矿的必由之路。

●深海采矿将成为本世纪人类满足自身发展需求的战略之举，但其前景受到技术、经济、地缘政治、国际法律法规等多重因素制约。

动因

唤醒沉睡海底的矿产宝藏

传统意义上的“深海”，是指大陆架以外的海洋部分，通常水深在200米以上。深海资源一般指公海以及国家专属经济区（EEZ）以外的海洋资源部分。深海资源可分为矿产资源和生物资源两类。矿产资源主要分为多金属结核、富钴铁锰结壳和海底块状硫化物（SMS）三种类型。

这些富集在深海的金属或非金属资源的副产品，很多都是现代高科技、绿色技术或新兴技术必不可少的原材料。例如：碲用于光伏太阳能发电，钴用于混合动力汽车和电动汽车电池，铋用于核反应堆的液体铅-铋冷却剂，铌用于高科技高温合金等。

过去15年来，深海矿产资源勘查开发引起了世界各国的高度重视。有的国家以国有企业或专业科研院所为主进军深海，有的则是通过国家层面的立法为民间投资深海创造便利条件。至于全球层面的深海资源勘查开发治理平台也不断涌现，并日臻完善。从根本动因上来看，海底技术进步、原材料价格上涨和价格大幅波动造成的原材料供应风险，已成为推动各国开展海洋矿产资源商业化开发的三大驱动力。

开发深海矿产资源的意义在于，它不仅可以满足国家产业发展对战略性矿产供应安全的需求，还能促进洋底填图及相关技术的发展，促进海底采矿相关服务和装备的研发，提升对深海资源的认识，维护国家战略利益。21世纪以来，世界各国对深海矿产资源的兴趣与日俱增，竞争日趋激烈。据荷兰资源专业中心数据，2010年美国在深海采矿方面的创新力排在第一位，欧洲排名第二，中国居第三位，其后依次为日本、韩国。

此外，相较于陆地采矿，深海采矿的优势较为显著。例如：陆地采矿会在环境中留下大量“足迹”：需要修路，建造房屋和基础设施，挖掘露天采矿场矿坑，影响河道，并产生数百万吨的废石。而海底采矿不需要修路，没有海底矿石运输系统或建筑物，几乎不需要建任何海底基础设施。铁-锰结壳和结核基本上都是暴露在海床之上呈平铺状态。SMS矿床厚度可达几十米，但矿床上几乎或完全没有覆盖物。开采陆地矿床需要剥离覆盖层，挖掘出来的废石量在总挖掘量中的占比可达75%之高。而深海采矿的平台是船，可以很方便地从老矿点转移到新矿点，选择规模虽小但品位高的矿床进行开采。除矿石品位高外，海底采矿的另一个优点是可以在一处采矿场回收3种或更多种金属。3种主要类型的深海矿床（结壳、结核和SMS）都具有这样的优点。陆地采矿影响土著居民或原住民生活的问题正日益受到关注，而深海采矿不会引发这样的问题。

挑战

深海矿产开采存在法律空白

深海采矿将是本世纪人类满足自身发展需求的战略之举，其前景受到技术、经济、地缘政治、国际法律法规等多重因素的制约。

对深海矿产资源认知不够，勘查开发监管存在风险。行业内和研究学者们基本都知道深海矿床在哪里，但是对于资源的集中度、规模大小却知之甚少。这对于需要据此开展成本效益评估的单个项目来说，矿床品位及规模的不确定性成为制约其开发的主要因素。例如：加拿大鹦鹉螺矿业公司圈定的索尔瓦拉1号矿床，是当前世界上最先进的深海采矿项目，但其资源仅够开采两年。其结果是，现在还不能确定，该公司为开矿而进行的巨大投资是否具有经济效益，因为仅仅建造一艘船的费用就高达10亿欧元。

深海采矿主要的缺陷和风险在于“社会环境运营许可”。由于深海采矿通常位于国家管辖区外，关于勘查活动的国际监管框架的制定进程缓慢。这就导致企业参与无章可循，使得投资者望而却步。环境组织和科学家们也声称，当前对于深海采矿给生态系统造成的环境破坏风险知之甚少。

国际法律框架不完善，开采条款未出台。大部分深海资源都位于国家管辖区以外的国际水域，法律框架复杂。对于深海采矿引发的新问题，国际法律框架层面还存在着诸多的不确定性和空白。规制海洋活动最重要的国际法是联合国海洋法公约（UNCLOS），其在1982年通过，1994年开始实施，目前世界上有166个国家已经签约成为会员国，但也有例外，如美国。

为了管理和协调深海矿床相关事宜，1994年在UNCLOS下成立了自治国际组织——国际海底管理局（ISA）。所有公约签署成员国自动成为ISA的成员。截至目前，ISA分别于2000年、2010年和2012年通过了勘查结核、硫化物、结壳的条款，但是关于开采的条款还在制定当中。

结核和SMS勘查开发技术较为成熟，结壳挑战性大。深海采矿通常包括几项关键技术。首先是要有现代化的装备齐全的船。目前，已有好几艘勘查船在运营，它们通常属于国家研究机构和地质调查局。开展巡航研究是很昂贵的事情，一艘船的运营成本约5万～10万欧元/天。另一项关键技术是可用于深海采矿作业的遥控机器人（ROV）。SMS在输送至海面之前，要用ROV进行开采。散落于海底淤泥中的锰结核，可通过ROV真空将其从海底吸出来。锰结壳可通过在洋底作业的ROV进行剥离并磨碎。ROV可将这些混合物运送至提升系统，管运至海面的船上。通常，一套深海采矿系统包括4个子系统：采掘系统、提升系统、海面平台和处理系统。

对于深海采矿技术，行业内似乎对商业化开采很有信心，认为以当前的技术水平足以满足需求。这些技术源自油气钻探，钻进深度通常可达2000米以上。然而，开采不同类型的深海矿产，其技术要求不尽相同。现有的或目前正在建立的第一代深海勘查开采技术只适用于铁-锰结核和SMS，不适用于铁-锰结壳。勘查和开采铁锰结壳需要克服两个主要的技术难题，一个是勘查和描述矿山特征，另一个是开采。勘查工具必须是深海拖曳式或可以装载在ROV上，并且可以在现场测量结壳的厚度以计算储量。最佳途径可能是开发一种多光谱地震探测工具和伽马辐射探测器，但必须解决伽马射线信号在海水中衰减的问题。与铁锰结壳相比，结壳基岩的种类繁多，伽马射线探测器在区别结壳基岩物理性能方面效果最好。开采方面的难题是，采矿工具必须能把铁-锰结壳与结壳基岩分离开，从而做到只开采结壳，不开采基岩，因为基岩开采会大大稀释矿石的品位。困难在于，结壳是牢固地附着在基岩之上的。分离结壳与结壳基岩的工作必须在水下1500m～2500m处的不规则且往往是粗糙的海床上进行，而且结壳以下的各种结壳基岩的韧性又各不相同。攻克这一难关需要进行高水平的技术创新。

资源价格和资本成本是制约深海采矿的两个主要外在因素。深海采矿主要受到包括资源价格和资本成本在内的外部因素影响。对于采矿本身，用于造船和开发必要技术的初始投资成本是巨大的。不是所有项目都在商业上可行，但是走向深海在很多情况下却是一个战略性问题。采矿业一直是一个高成本产业，将深海采矿成本与陆域采矿进行对比很重要。对于陆域采矿，总成本包括环保成本、固定基础设施成本和劳动力成本，相较而言，深海采矿对投资者颇具吸引力。

据欧盟方面测算，深海勘查一天的成本超过10万美元，大部分勘查航次的预算在5000万～2亿美元之间。对开采而言，一天的运营成本高达好几亿欧元，这还取决于矿床及其位置。最大的成本是船、钻探及船员的费用。从经济角度来看，很多方面都取决于上述外在因素，主要包括某种资源在一定时期的市场价格以及相较于陆域采矿的成本控制。

深海采矿的环境影响可能会很大，要提前开展风险评估。所有扰动地球表面的活动，无论是陆上的还是深海的，都会扰动甚至摧毁动植物栖息地。因此，必须制定最环保的工作计划，并使所有地球表面的活动都按计划开展。与陆域采矿相比，深海采矿具有环境影响小的优势。然而，至今业界对于深海采矿会造成哪些环境问题尚知之甚少，目前全球只有一座海底矿山——索尔瓦拉1号矿，拥有此矿的加拿大鹦鹉螺矿业公司提交了一份开采此矿的环境影响报告，这是当前现实中唯一的陈述海底采矿环境影响的报告。考虑到矿床类型和开采工具等方面的因素，海底采矿的环境影响可能会很大。因此，基于不同尺度原地实验的风险评估是深海采矿实施前必不可少的工作环节。

研究人员通过实施一些国际科学计划研究了开采铁-锰结核可能会造成的影响，这些国际计划以广泛的野外考察以及理论和实验室研究为基础。在采矿车辆经过的地方，动植物栖息地显然会遭到破坏，海底水层中还会产生沉积物卷流，卷流的范围有多大则不可预知。国际海底管理局2008年开展的一个项目得出这样的结论：难以预料开采海底结核会对生物多样性产生什么样的威胁，以及会带来多大的物种衰落风险，因为我们对海洋物种数量和地理分布情况的了解十分有限。存在潜在毒性的金属可能会在短时期内从孔隙水中释放出来，或在结核碎屑解吸作用下产生，特别是当采矿作业降低了表面沉积物中的氧含量时，这种情况会发生。

从深海采出的矿石将被运送到陆上的选矿厂。一旦矿石被运到现有或新建的选矿厂加工处理，也会引发与现有陆上选矿厂同样的环境问题。但新建选矿厂可能会更高效并采用先进的绿色技术。船上的选矿工作可能将仅限于矿石脱水，把水回灌到水下采矿场。如果是开采结壳，可能会在船上进行浮选，以去除结壳基岩。

现状

各国加速“淘金”探明深海富矿区

其实，科学家早在100多年前就知道深海里有矿产。然而，对深海矿床成因、分布和资源潜力的研究却始于最近几十年。20世纪70年代，科学家首次对东北太平洋克拉里昂-克利伯顿断裂带（CCZ）铁-锰结核进行了详细研究。当时有人预言，对CCZ海区铁-锰结核的开采将于20世纪70年代末至80年代初开始，但这一预言没有成为现实。1977年，科学家又在太平洋加拉帕戈斯海脊发现了热液系统。此后不久，研究人员又于1979年在东太平洋隆起发现了“黑烟囱系统”。20世纪80年代早期，对海底铁-锰结壳的研究引人注目，因为从铁-锰结壳中开采钴的前景被看好。然而，由于全球市场金属价格在20世纪90年代前后直至21世纪初持续低迷，开采海底矿产的积极性受到打击，开采计划被搁置。但针对海底矿床的研究与开发工作一直没有中断。进入21世纪以后，随着全球金属价格的上涨，深海矿产资源的勘查开发再次引起广泛关注。

结壳通常沉淀在海底山岭、山脊和高原上，水深400m～7000m，厚度最大和含金属最多的结壳位于水下800m～2500m处，采矿作业最佳水深1500m～2500m。西北太平洋底海山的年代为侏罗纪，是全球海洋中最古老的海山，其结壳最厚，稀有金属的含量通常也最高。因此，西北太平洋中部赤道海区被认为是勘查海底结壳的主要地带，即通常所称的“中太平洋主结壳带（PCZ）”。

对于结核而言，太平洋尤其是东北太平洋的克拉里昂-克利伯顿断裂带（CCZ），秘鲁盆地，以及南太平洋的彭林-萨摩亚盆地是发现结核最多的海域。印度洋盆地中部也发现了一处大型结核带，西南大西洋的阿根廷盆地和北冰洋等海域内可能也有铁-锰结核带，但这些海域的勘查程度非常低。CCZ海区最具经济吸引力，在这一海区内，已经或正在等待与国际海底管理局签署勘查合同的勘查区块有13处。矿业公司之所以对CCZ海区感兴趣，是因为此海区有大量铁-锰结核且镍和铜的富集度高。

总体来看，截至2013年，已签署海底勘查合同的占地面积约为1843350km2，其中约一半勘查项目是沿海国家在其各自的专属经济区（EEZ）内进行的，其余勘查项目是在国家管辖区外的公海地区进行的，在公海地区进行的勘查项目需经国际海底管理局（ISA）批准。SMS矿床勘查项目的面积约占海底勘查总面积的45%，大多数都位于西南太平洋国家的EEZ范围内，公海地区SMS矿床勘查项目的占地面积仅有5万km2。在占据其余55%海底勘查面积的项目中，大多数为铁-锰结核勘查项目，这部分项目全部在公海范围内进行。此外，还有两个占地面积很小的磷灰岩勘查项目，一个在新西兰海域，另一个在纳米比亚海域；还有一个面积非常小的多金属泥勘查项目，此项目在红海海域进行。这3个小项目以及一个位于西南太平洋的SMS项目已被批准签署采矿合同。2012年7月，ISA理事会和大会通过了勘查海底铁-锰结壳的法规，此后不久便收到了申请在西太平洋进行勘查并签订合同的两份工作计划，勘查合同的占地面积9000km2。

中国、法国、德国、印度、日本、韩国、俄罗斯以及一个名为“洋际金属”的多国集团（成员国有：保加利亚、古巴、捷克共和国、波兰、俄罗斯和斯洛伐克共和国）签署了勘查海底铁-锰结核的合同，每块勘查区的面积约为7.5万km2；中国、法国、德国、韩国和俄罗斯等国已经或即将签署勘查SMS矿床的合同，每块勘查区的面积约为1万km2；中国、日本和俄罗斯已经制定或预计将制定勘查海底铁-锰结壳的工作计划，每块勘查区的面积约为3000km2。此外，有4家公司已经或即将签订勘查海底铁-锰结核的合同，其中3块勘查区的面积为7.5万 km2，1块为5.862万km2。海底矿床勘查工作目前正在加速进行，不断有国家或公司要求签订新的合同。

前景

铺就“产学研用”深海采矿之路

至今我们并不十分清楚全球海洋中铁-锰结壳、结核和SMS矿床的资源潜力到底有多大。相对而言，对CCZ海区和中印度洋盆地结核矿床的特性描述最为清楚。必须用评价陆地矿床的方法评价海洋矿床，从而发现海洋矿床作为许多种稀有、战略性和紧缺性重要矿产来源的重要性。对比评估工作应包括对每一种重要矿产整个生命周期的评价，以及对矿床开采环境影响的评价。

从工程技术的角度看，必须取得几方面的重要突破才能使结壳开采具有可行性。与结壳开采相比，结核开采技术较为简单，因此已进入可开发阶段。阻碍铁-锰结壳勘查的最大难点是，需要在原地实时测量结壳的厚度，开采矿石的最大障碍则是把铁-锰结壳与结壳基岩有效地分离开。减少或消除对铁-锰结壳和结壳基岩物理性质测量结果的偏差有助于解决这一技术问题。需要对种类繁多的样品，尤其是磷酸盐化的厚层结壳进行分析。一个更困难的问题是，需要在原地测量浸透海水的样品。这些测量开展以下工作：认识从海水中捕获金属的机理；对比结壳和结壳基岩以开发勘查技术；描述结壳强度和结壳对各种采矿方法的承受程度。

虽然开采海底矿产的技术正取得重大进展，但还远远不够，亟待开展技术创新，采用降低成本的绿色技术是未来深海采矿的必由之路。使用简单的酸浸法就可以浸出结壳和结核中的全部主要和稀有金属，因此，应该研发化学和生物化学选矿工艺，比如使用特定的金属结合药剂，以便能够选择性地回收想要回收的金属。在回收了想要的金属后，剩下的矿渣可以送入另一个提取流程，回收其他种类的金属。从矿渣中回收这类金属往往不具经济可行性，因此，回收这类金属的前提是国家有经济鼓励政策或战略需要。

对于一个国家而言，要么是通过国家科学研究机构或地质调查机构加强深海矿床的勘查、开发研究及技术储备，要么是通过立法不断创造并完善有利于深海采矿的优良环境，吸引社会投资进军深海。深海矿产资源勘查开发将是一个事关民族发展、国家兴盛的重要领域，需要政府加强政策引导，强化监管与服务，铺就一条“产学研用”的深海采矿创新之路。

日前，自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所自主研发的“基于温海水-砾石吞吐置换开采I类水合物系统的方法” “海底浅层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法” “海底浅表层水合物开采装置及开采方法”等3项发明专利技术获得国家知识产权局批复，标志着青岛海洋所在海域浅表层天然气水合物高效开采研究领域取得新的进展。 

“基于温海水-砾石吞吐置换开采I类水合物系统的方法（专利号：ZL2018 1 1514174.4）”通过采用主井加多分支孔的方法来增大块状水合物的分解表面积，并结合表层海水吞吐法、流体抽取降压法相结合的开采技术，使块状水合物逐步分解；同时，通过间歇式向地层中注入一定粒径的砂砾，不断填补由块状水合物分解造成的地层亏空空间，维持地层稳定的同时提高近井渗透率，促进水合物的有效分解；最终，通过循环往复执行，达到了安全、持续地开采浅层块状水合物的目的，既实现了天然气水合物的持续性、规模性开采，又维护了海底环境及生态系统的稳定，体现了绿色环保开发理念。

“海底浅层块状水合物采矿机及吞吐式开采方法（专利号：ZL2018 1501016.5）”提供一种智能吞吐式海底采矿机及开采方法，采矿机底部设置行走装置，通过方向控制器往指定方向行走，利用掘冰器破冰，随后进行超声波碎冰、分解和过滤，实现开采分离一体化，操作简单，绿色环保。

“海底浅表层水合物开采装置及开采方法（专利号：ZL2018 1 1485346.X）”中，采矿车在海底将水合物及沉积物采掘后进行排水、粉碎，然后被船体缆绳抬升到海水浅层并进行自然加热，其有益效果是，水合物的分解是发生在海水浅层位置的水合物分解站中，相对于海底环境具有低压和高温特征，具有水合物分解得天独厚的温压条件，兼以辅助加热以促进水合物分解的速率。采矿车具有海底自主行走功能，多角度、多方位开采等优势。采后的沉积物被回填到采空区，可有效避免滑坡等地质灾害，且整个单线作业速度快、时间短，有效避免水合物的分解对海洋环境以及海洋生物的影响。

据悉，与常规中深层（埋藏深度在海底百米及以上）天然气水合物相比，海底浅表层天然气水合物（埋藏深度约在海底十几米到百米范围）通常具有分布零散、块状或结核状分布特征，同时有开采难度大、开采面临的环境挑战大等特点。青岛海洋所瞄准浅表层水合物基本地质特征，提出了系列潜在浅表层水合物低成本开采新方法，为我国海域天然气水合物的高效开发提供了技术储备。