①宝石学专业研二学生彭晖正在为标本拍照

②何明跃对标本库的资源如数家珍

③刘皓向记者展示最新一代标签

④赵鹏大院士采集的标本

当人们都在为到来的“人类世”而兴奋不已时，地质工作者们依然在默默地耕耘着。因为在他们看来，无论关于地球的过去还是未来，还有更多的奥秘等待他们去探索。而他们探索这些奥秘的线索之一，就是岩矿化石。近日，历经20年、两代负责人和数百位标本资源数字化人员不懈努力的国家科技基础条件平台——“国家岩矿化石标本资源共享平台”终于建成，记者采访了该平台的建设者们。

一块化石改写地球历史

当记者来到位于中国地质大学（北京）逸夫楼地下一层和二层的国家岩矿化石标本资源库时，首先展现在记者眼前的，是“松科一井”的全部岩芯标本。

“松科一井”是在松辽盆地布孔、为研究白垩纪气候变化的超深钻、科学钻，两段总共2600米的岩芯，都保存在这里。“松科一井”发现的微体古生物化石，反映了几百万年前古气候的变化，地质工作者以此来推测未来气候的演变。“‘松科一井’发现有孔虫的化石，从而揭示松辽盆地至少存在海相沉积。而在此之前，地质界普遍认为松辽盆地是陆相沉积。有句话说‘一粒种子改变世界’，用在我们这就是‘一块化石改写地球历史’。”国家岩矿化石标本资源共享平台负责人、中国地质大学珠宝学院党委书记何明跃教授介绍。

的确，岩矿化石提供了古生物和古环境演化的线索，是地质工作者探索远古、预知未来的重要依据，每一个岩矿化石之中都可能藏有破解地球谜团的密码。也正因为如此，将岩矿化石标本资源整合共享，成为中国地质大学（北京）众多院士专家的愿望。

1999年，在杨遵仪、王鸿祯、郝诒纯、翟裕生、莫宣学、叶大年、茅绍智等一批院士和老教授的倡导下，由中国地质大学（北京）牵头、原校长吴淦国教授负责，何明跃教授具体组织实施，从国家层面开展了跨单位、跨部门的岩矿化石标本资源整合与数据库建设工作。标本资源整合后，2003年他们开始将标本资源信息化，并提出“共享平台”概念，从而进入“国家岩矿化石标本库”阶段。2011年，何明跃教授接过接力棒，进一步开展标本资源整合与共享工作，带领由中国地质大学（北京）牵头，联合中国地质博物馆、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、中国科学院南京地质古生物研究所、中国地质科学院矿产资源研究所、中国地质大学（武汉）、吉林大学、北京大学、成都理工大学、昆明理工大学、河南省地质博物馆、自贡恐龙博物馆等20余家我国重要岩矿化石保存单位进行地学标本资源整合与共享。

此外，在共享平台建设过程中，陆续有个人、专家、科学家向平台捐赠收藏的标本，很大程度上起到了抢救标本的作用。如今，两代负责人和数百位标本资源数字化人员经过20年的不懈努力，终于在最近被科技部与财政部发文批准为国家科技资源共享平台——“国家岩矿化石标本资源共享平台”。

一个平台展现地球古今

看完标本库的岩芯、矿物和化石，这里的杨眉老师向记者介绍了共享平台的具体情况。

共享平台的岩矿化石标本产地覆盖34个省（区、市）及行政区，以及美国、俄罗斯、加拿大等91个国家，具有科学价值的化石、矿物、岩石、矿石标本，有17.8万余件实物和数据库。同时，平台构建了九大模块、150余个专题：古生物化石群专题20个（云南澄江动物群、北京周口店及山顶洞古人类遗址、豫西华夏植物群、自贡恐龙动物群、河南汝阳盆地恐龙动物群等）、典型矿床专题80个（内蒙古包头市白云鄂博铁铌稀土矿床、江西省德兴市斑岩铜矿床、甘肃省金川铜镍硫化物矿床等）、地学专题3个（天津蓟县中上元古界地层剖面等）、3000种系统矿物学数据库及查询系统、珠宝玉石专题39个、岩矿化石精品图片库4个、原创科普视频10个、3D矿物精品24个，以及基础地理、基础地质、地学科普专题等。“每一件标本背后都有一个故事，它们共同记录了地球演化进程中无数精彩的瞬间。”何明跃说。

作为科技部国家科技资源共享平台的一级平台，岩矿化石标本资源实物及数据库和专题数据库及数据产品通过在“国家岩矿化石标本资源共享平台”网站发布共享，并将元数据发布在国家科技基础条件平台，用户可在门户网站通过资源中英文名称、产地、样品编号、资源形成时代、保存单位、库存位置号等11个查询条件，快速查询检索标本资源共性描述及图片信息。平台还提供标本资源信息及实物共享，同时提供地学特色专题展示、学术交流与科普教育等服务。目前，平台日访问量1万以上，累积访问量达3300余万，实现了岩矿化石标本资源的有效整合、合理保护、充分共享和高效利用，为科技创新、专业教学、人才培养、人工智能研发及科学普及等提供了重要支撑。

为加强国内外交流和共享，共享平台还设立了全球岩矿化石标本资源保存机构名录，含国外335家、中国37家标本保存机构的网络平台链接。

同时，作为我国最大的地学标本平台，何明跃和他的团队研究制定了岩矿化石描述标准52个、技术规程39个，出版了《矿物、岩石、矿石标本资源及矿床描述标准》《无脊椎动物化石标本资源描述标准》《脊椎动物、植物、牙形类化石及旧石器标本资源描述标准》《岩矿化石标本资源收集整理保存技术规程》，指导全国标本资源保存单位进行岩矿化石标本资源分级分类整理、鉴定、描述、数字化建设。

“在整合资源的过程中，我们的一个理念是，数据质量最重要。例如：标本描述标准由100多位科学家参与制定、研讨、评审、试用、修改完善，最后出版，形成标准和规范。”何明跃还介绍，正是有了精确的标本描述，为后期平台建立专题提供了翔实的基础资料。因此，平台的专题、视频含金量高、科普性强。

一项事业传承地学精神

在化石标本库里，记者看到一件华夏植物群的化石标本，它的采集者是中国地质大学（北京）古植物学退休教授杨关秀。一直从事地层古生物教学和科研工作、对我国二叠纪古植物及生物地层作了长期的调查和研究的她，也是标本库的第一代建设者。“杨老师退休后还惦记着她的标本，2008年开始到她坐着轮椅，用几年时间整理完了1000多件标本。她常说，心愿了了就好了。”杨眉老师说。

是的，这里每一件标本的身上，都凝聚着地质人心血。记者在标本库里看到，几乎每一件标本，都有“三代”标签：“第一代”是手写标签，“第二代”是打印表格标签，“第三代”是带有二维码的打印标签。它们，不仅是时代发展的见证，也是一代代标本库建设者精神力量的传承。

就在记者采访的当天，何明跃收到了国家科技基础条件平台中心颁发的第六届“共享杯”大学生科技资源共享服务创新大赛优秀指导教师奖，他指导的研究生团队制作的参赛视频也获得了一等奖。“我们的参赛作品基本上年年都获奖，而且很多是一、二等奖。”何明跃自豪地说，“这是一个让学生了解现状成果和未来趋势的过程，他们在做数据产品的过程中获得了国际视野，并得到锻炼。”而这些视频，都是共享平台中各个专题的精品内容。

何明跃的学生、宝石学研究生二年级的刘皓在标本库工作已经有几年了，标本库的工作对她的学业有不小的帮助。像她这样的年轻学生还有很多，标本数字化过程中，需要对岩石、矿石、矿物进行拍照、鉴定和描述，他们在参与共享平台建设的过程中，也逐渐沉淀和提升了专业素养。多年来，这里已经培养了100多名研究生。

经过20年的不懈努力，共享平台终于建成，但这并不是终点。对于未来，何明跃还有更多的思考：下一步，他们要走入基层，到更有特色的地方，如中国重要古生物群、世界金钉子剖面、国家大型超大型矿山等，进一步发掘优质标本资源；把英文网站做起来，与国外专业标本网站互联互通，努力建成一个现代化、国际化、开放型的地学领域岩矿化石数据中心；深化信息服务，开发标本库人工智能，初步设想基于图像识别法，研发手机识别岩石、矿物、珠宝、化石的功能；通过公众服务，促进全国标本库的标准化建设……同时，何明跃也坦言，目前我国地学标本库建设方面还存在一些问题。例如，基层单位技术力量薄弱；在成果评价机制和转化方面，建库人员的积极性和获得感还需要提升等等。

何明跃常说，岩矿化石是地球科学的“根”。而他们的工作，就是保护好这个“根”。我们希望，越来越多的人关注和投入到地学标本采集和保护事业中，从而让地球科学这棵“大树”更加枝繁叶茂。

相关链接

国家岩矿化石标本资源共享平台有哪些资源？

化石标本资源：模式化石及典型化石群标本8.2万件，其中模式化石标本1.1万件。典型化石标本主要有：我国境内古人类化石、云南澄江动物群、辽西热河生物群、山东山旺生物群、豫西华夏植物群、自贡恐龙动物群、河南栾川恐龙动物群、黑龙江嘉荫恐龙动物群等20多个国内重要化石群及重点地区地层古生物化石标本，国外典型地层古生物标本，以及北京周口店、河北阳原、河南三门峡、内蒙伊盟、山西运城、贵州西部发现的旧石器标本。其中包含“世界上第一朵盛开的花”——辽宁古果、“世界上第一只飞起的鸟”——中华龙鸟、北京周口店古人类化石及云南澄江动物群化石标本等享誉世界的珍贵标本。

矿物标本资源：整合了中国新矿物标本、稀有的矿物晶体晶簇标本、典型矿物标本及部分国外典型矿物标本2万件，含1500余种矿物。其中，国外产出的矿物标本占36%。

岩石标本资源：整合了国内外典型岩石标本5.8万件。主要有：青藏高原及其邻区的岩石，中国高压、超高压岩石分布带的榴辉岩，中国东部中新生代玄武岩及其地幔岩包体，峨眉山大火成岩省超基性岩等标本资源，天津蓟县中上元古界地层剖面，浙江长兴二叠—三叠系界线层型灰岩剖面等典型剖面的岩石标本，以及国外典型岩石标本。

矿石标本资源：整合了100多个中国濒危矿床和大型、超大型、特色矿床和400多个典型矿床的金属、非金属和能源矿石标本1.7万件。

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。

新疆彩南油田二氧化碳驱水与地质储存先导性试验示意图

鄂尔多斯二氧化碳地质储存示范工程立体化监测技术体系

为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等承诺。“双碳”目标下，作为可以实现化石能源大规模低碳利用的重要技术途径，碳捕集、利用和封存技术成为当下研究热点。

在自然资源部、中国地质调查局的推动下，我国二氧化碳地质封存技术研究与工程示范已取得初步进展，如今正在加快研究步伐，力争为我国实现碳中和作出更大贡献。记者近日走访了我国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）产业技术创新战略联盟理事单位——中国地质调查局水文地质环境地质调查中心的相关负责人和专家。

我国二氧化碳地质封存潜力大，深部咸水层是主力储存空间

水环地调中心专家介绍，二氧化碳地质封存，是指通过工程技术手段将从碳排放工业源捕集的二氧化碳直接注入至地下800~3500米深度范围内的地质构造中，通过一系列的岩石物理束缚、溶解和矿化作用而将二氧化碳封存在地质体中。可用于封存二氧化碳的地质体有陆上咸水层、海底咸水层、枯竭油气田等。

当前，全球二氧化碳地质利用与封存技术以二氧化碳驱油和深部咸水层地质封存最为成熟，驱油工程已安全投入商业运营近50年。截至2020年底，全球目前共有26个正在运行的商业项目，合计捕集二氧化碳规模约4000万吨/年。就深部咸水层储集介质来看，截至2020年底，全球拟建和在建的地质封存项目超过了12个，且正在逐步从小规模示范向大规模集成过渡。

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心主任文冬光介绍，我国二氧化碳地质储存研究始于上世纪70年代。2009年，原国土资源部将二氧化碳地质储存调查评价纳入《地质矿产保障工程实施方案（2010-2020）》地质基础支撑计划内的全球变化调查监测与评价和地下空间资源调查后，中国地质调查局先后启动了我国二氧化碳地质储存关键技术研究、全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程、二氧化碳地质储存调查与资源化利用、准噶尔等盆地二氧化碳地质储存综合地质调查等项目，由水环地调中心组织实施。“十二五”期间，该中心与国家能源集团神华煤制油化工有限公司合作，建成了我国首个30万吨级深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程；2018年，与新疆油田合作，在准东彩南油田近枯竭油田实施了二氧化碳强化深部咸水开采与封存先导性现场试验。

基于调查和研究成果，由水环地调中心主编的《中国及毗邻海域主要沉积盆地二氧化碳地质储存适宜性评价图（1∶500万）》，于2018年正式出版。这是第一幅展示我国二氧化碳地质储存综合适宜条件的专业性图件。该图显示，我国深部咸水层二氧化碳地质储存潜力巨大，占总潜力的90%以上，远远超过油田、天然气田和煤层气田，是我国未来实现规模化二氧化碳地质储存的主力储存空间。其中，我国陆域塔里木、鄂尔多斯、松辽等13个大中型盆地，以及海域东海陆架/渤海、珠江口等16个大中型沉积盆地，储存潜力大，储盖层条件相对较好。

二氧化碳地质封存示范工程的实施，验证了技术的可行性和地质安全性

瞄准深部咸水层这一主力储存空间，水环地调中心研究团队开展了对二氧化碳地质储存从基础理论、场地勘查技术方法到完井技术与灌注试验、安全与环境风险评价，直至后期环境监测的全过程研究，攻克了一系列技术难题。比如：提出了综合咸水层地质条件、储存量、勘探成本的地球物理圈闭识别与评价体系，以及二氧化碳地质封存潜力评价有效系数取值评估准则；创新了深部咸水层二氧化碳地质储存工程完井与灌注试验技术等。

水环地调中心与国家能源集团神华煤制油化工有限公司合作，在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗实施了我国首个二氧化碳捕集、运输与深部地质封存全流程示范工程。其中，水环地调中心主导完成了示范工程封存场地的调查勘查，并组织实施了一口监测井，建立了“大气—地表—地下”立体化监测系统。该示范工程于2011年5月9日开始实施二氧化碳灌注实验，截至2015年4月实现累计注入二氧化碳30.2万吨。持续监测结果表明，示范工程场地未出现二氧化碳泄漏。该工程的实施，初步形成了10万吨/年二氧化碳地质封存技术体系，同时为每年百万吨级规模化封存工程和产业化实施储备了一批关键技术。

准噶尔盆地赋存丰富的油气资源，同时也蕴藏着丰富的煤层气和页岩气资源，为在该区开展二氧化碳地质储存与工程示范提供了有利条件。结合准东地区低碳减排及对水资源的强烈需求，以及该区二氧化碳捕集、利用与储存较好发展前景，水环地调中心与中石油新疆油田分公司合作，通过调查研究，选定彩南油田作为实施二氧化碳强化深部咸水开采与储存先导性试验示范场地。

2018年6月，从克拉玛依敦华公司捕集的二氧化碳，用槽车沿沙漠公路运至彩南油田。一场二氧化碳驱水与地质储存一体化的先导性试验准备就绪。试验井组由一眼注入井、3眼一线监测井、6眼二线监测井组成。从2018年6月29日16时30分，试验开始注入二氧化碳，至2018年7月16日22时结束注入，累计注入二氧化碳1010吨。整个试验过程在保持一定注入速度和注入压力下平稳进行，现场监测结果显示，二氧化碳在地下储层中运移规律与预期较吻合，地表没有发现气态二氧化碳泄漏。由此可见，二氧化碳驱水封存技术是可行的，也是可以安全实施的。

这次试验，只是揭开了准噶尔盆地二氧化碳地质储存潜力的冰山一角。评估结果表明，通过咸水层二氧化碳地质储存或二氧化碳驱水技术，准噶尔盆地可实现二氧化碳的地质储存量达480×10 8 ～1640×10吨。而且，准噶尔盆地源汇匹配情况较好。尤其是，准东五彩湾工业园区的排放源附近有成片连接的咸水层储存场地，不仅有适宜性很好的咸水层，同时也是多个大型油田的所在地，是进行二氧化碳驱替咸水或二氧化碳驱替石油利用的良好场地。

开展二氧化碳地质封存环境风险监测研究，取得一系列科技创新成果

把二氧化碳“埋”在地下，保障地质封存工程的安全性至关重要。

存入地下的二氧化碳气体，一方面由于其自身具有较强的穿透性，另一方面由于地下储存空间不可预知的裂隙或隐伏断裂等地质构造的原因，都可能造成二氧化碳的泄漏。在陆地上储存二氧化碳时，最可能发生的问题是二氧化碳泄漏进入地下水补给层，即使是少量的泄漏，也可能造成饮用地下水质量的明显下降。一旦二氧化碳突破水力圈闭，将会向上进入浅层土壤，从而改变土壤物化性质，影响土壤生物，进而进入包气带和大气环境中，连锁影响生态系统和人群健康。

“为保障二氧化碳地质封存工程的安全性，必须合理选择工程场地，提高施工质量，并加强对封存全过程的监测。”专家强调。而我国以陆相沉积为主要特征的沉积盆地复杂区域地质条件，使得二氧化碳地质储存相对于国外已有工程面临更大的挑战。

正是认识到这一点，除了在二氧化碳地质储存场地选址阶段进行详细调查和综合评价，水环地调中心的研究团队还创新开展了二氧化碳地质储存的环境风险监测研究，确定了二氧化碳地质储存盖层力学作用机制，提出了盖层力学稳定性标准，以指导储存场地的选址及工程注入压力设计，并阐释了二氧化碳一旦泄漏可能对地下水和地表生态环境的影响机理。

此外，该团队研发的二氧化碳迁移转化数值模拟系统，达到国际先进水平，可满足二氧化碳地质储存储层建模、评价预测等技术需求；研发了深层pH值原位监测系统，填补了国内pH值深层原位监测技术空白，可满足1500米以深的监测技术要求。

水环地调中心还在陕西西安建设了人工控制二氧化碳泄漏环境影响及监测试验场地，在青海平安建设了天然二氧化碳泄漏环境影响及监测野外科研观测基地，基于人工模拟试验与天然二氧化碳泄漏环境影响观测，建立了二氧化碳地质封存对大气、土壤、水、生态系统等环境影响评价方法与指标体系，以及监测技术方法，为生态环境部制定《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》提供了支撑。

我国二氧化碳地质封存技术还处于示范阶段，亟待深入研究

当前，我国距离实现碳达峰目标已不足10年，从碳达峰到实现碳中和目标也仅有30年，与发达国家相比，我国实现碳达峰、碳中和远景目标时间更紧、困难更多，任务异常艰巨。当前，在我国以煤为主的能源消耗结构短期内难以改变的形势下，开展二氧化碳地质储存是实现我国碳减排承诺的一项有效措施。

近年来，我国二氧化碳地质储存在区域调查评价、关键技术研究和工程示范等领域有了较快的发展，二氧化碳地质利用与储存技术渐成体系，但总体上仍处于示范研究阶段，继续开展二氧化碳地质储存调查评价、技术方法创新，不断加大研究深度，对我国规划、实施碳捕集、利用与储存具有重要意义。

为支撑我国实现碳中和目标，“十四五”期间，水环地调中心将进一步聚焦重大需求，在鄂尔多斯盆地、东北地区等地的国家级能源基地，以及京津冀、长三角、粤港澳大湾区等高碳排放源集中区，开展区域二氧化碳地质封存潜力评价与封存场地调查。同时，创新合作机制，实施二氧化碳地质封存示范工程，研发关键技术，形成潜力评价、调查选址等技术标准；统筹考虑地下多种资源空间叠置及相互影响等因素，探索提出地下空间利用与国土空间规划管理的建议。