李家彪院士：深海矿产资源开发技术发展现状与展望
文章摘要
深海海底蕴藏着丰富的矿产资源，对其进行合理的开发利用契合中国经济发展需求，是保障中国战略资源安全和发展高质量海洋经济的重要举措。文章主要回顾了国内外深海矿产资源开发技术进展，分析了关键技术和环境影响挑战，提出深海矿产资源开发应遵循“绿色环保、安全可靠、智能高效”的发展原则，加强深海采矿系统顶层设计，突破核心技术装备研发和制造瓶颈，提升深海环境保护意识和监测、修复技术水平。
文章提出要结合中国优势高新技术，强化自主创新，把握深海采矿技术装备研发的新机遇，加强国际合作，促进深海资源可持续利用，培育深海采矿战略新兴产业的发展，支撑海洋强国建设。
文章速览
深海海底蕴藏着地球上远未认知和开发的矿产资源。典型的深海矿产资源包括多金属结核、富钴结壳以及多金属硫化物。
具有商业开采价值的多金属结核资源主要分布在水深4000~6000 m的深海平原，从全球分布区域上看，主要集中在东太平洋的克拉里昂—克利珀顿区（Clarion-Clipperton Zone, CC区）、秘鲁海盆和印度洋中央海盆3个海区。
富钴结壳资源主要分布在800~2500 m水深的海山斜坡和山顶上，是深海生物多样性研究的热点区域。多金属硫化物主要分布于大洋中脊和弧后盆地，其中活动热液区的生物群落通常生物量和丰度较高，优势种的优势度较高。
深海矿产资源开发是一项庞大而复杂的工程，涵盖勘查、采矿、选冶和运输等产业链流程，融合了海底作业、水下输送、动力输配、中央控制和水面支持的全方位平台和系统装备体系，可能成为人类能够操纵的最大深海作业系统，被视为世界各国科技竞争的前沿领域。目前全球尚无适合商业化开发的深海采矿系统，多数装备仍处于研制和试验阶段。
深海采矿的环境影响一直是国际社会高度关注的话题。近半个世纪来，一些国家和科学组织针对深海采矿可能引起的环境破坏问题，相继开展了一系列的调查和实验研究工作。发展深海采矿环境影响的监测、评估和环境修复技术，实现深海采矿与环境保护之间的平衡，是深海矿产资源实现商业化开采的必经之路。
目前国际社会参与深海矿产资源勘探开发进度提速，签订合同的数量与日俱增，深海环境保护的呼声日益高涨。作为第一批矿产资源勘探的先驱投资者，中国先后与国际海底管理局（International Seabed Authority, ISA）签订了多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物共5份勘探合同，使中国具备了全方位开发“区域”矿产资源的基础和前提。
2016年《中华人民共和国深海海底区域资源勘探开发法》的正式施行，为中国深海矿产资源开发活动提供了法律依据，为发展海洋战略新兴产业提供了重大机遇。
1. 国外研究进展
海底金属矿产资源位于深水区，商业开采难度大，通常被认为难以实现。20世纪60年代后期，一些跨国财团进入深海采矿领域，并在70年代末开展了一系列试验，但是由于经济和技术等原因，暂缓对这一领域的深入开发。
进入21世纪后，随着金属价格稳步上升，国际深海法律框架逐步健全完善，重要战略资源陆续被发现，深海矿产资源开发迎来新机遇，进入快速发展阶段。
1.1 技术方案与海试验证
深海矿产资源开发方案设计最初主要针对海底多金属结核，提出相应的开发模式，研发核心装备，并通过海试验证可行性。
世界范围内曾出现过的具有代表性的深海采矿模式包括连续链斗式、自动穿梭艇式和管道提升式。其中前两种由于系统稳定性差、开采效率低、环境影响大等原因，已不再进一步研发和试验。目前，国内外主要采用管道提升式深海采矿方案，如图1所示，主要包括海底采矿车、管道提升装备和水面支持平台。
图1 典型深海采矿系统方案
海底采矿车是海底矿石开采的核心技术装备之一。多金属结核一般赋存于平坦海底，与海底沉积物共存，可采用机械式、水力式或水力—机械混合等方法采集；富钴结壳生长在基岩表面，一般采用螺旋滚筒将矿石从基岩剥离并破碎和收集；多金属硫化物的采集方式与富钴结壳较为接近，一般首先处理复杂崎岖的地形，开拓采矿台阶，而后完成矿石采集。
管道提升装备用于将矿石从海底输送至海面，一般可采用水力提升或气力提升，即通过提升泵将矿石—海水或矿石—海水—空气的混合物输送到水面支持平台，其核心技术装备为混合物提升泵和管道。一般地，采矿车采集的矿石通过软管输送至水下中继站，破碎后经由扬矿硬管在提升泵的作用下输送至海面。
水面支持平台是深海采矿的集控终端。一方面，矿石输送至水面后在平台进行预处理、脱水、暂存，而后外输至穿梭船；另一方面，水面支持平台保障采矿系统的动力供给、信息通信、导航定位，并作为采矿作业的控制中心。同时，水面支持平台还兼具采矿车、提升泵、管道等水下装备的布放和回收功能。
20世纪70年代，美国、德国、日本等多个国家的公司组成跨国财团联合开发管道提升式深海采矿系统方案。1978年和1979年，各财团于东太平洋CC区多次开展全系统联合海试，集中验证了海底集矿车、泵管提升装备以及系统协调作业的可行性。
其中，海洋管理公司（Ocean Management Incorporated, OMI）在5500 m水深共采集约1000 t多金属结核，是迄今为止从海底采集多金属结核最多的试验。上述海试的成功，验证了管道提升式深海采矿技术方案的可行性，西方发达国家也于该阶段基本完成深海采矿的总体技术储备。然而，受限于当时的国际政治和经济环境，深海采矿未能跨入商业化进程。
21世纪以来，随着深海法律的健全、技术装备的快速发展以及环境评估评价的进步，深海采矿技术方案得到迅速发展。比利时全球海洋矿产资源公司（Global Sea Mineral Resources, GSR）针对海底多金属结核提出了完整的深海采矿计划表，于2017年完成4571 m的海试，提交了世界上首个国际海底区域多金属结核开采的环境影响评价 告书。
2021年，该公司在太平洋CC区成功采集多金属结核并计划于2028年实现商业化开采。
加拿大鹦鹉螺矿业公司（Nautilus Minerals Incorporated）于2007年启动了全球首个多金属硫化物的商业勘探和开采计划；前期在1700 m水深开展了破碎和采集等原理实验，验证了方案可行性；商业开采系统的海底开采车已完成建造和带水试验。
日本国家石油天然气和金属公司（Japan Oil, Gas and Metals National Corporation, JOGMEC）针对海底多金属硫化物于2012年成功进行1/5商业规模采矿试验，并于2017年在冲绳海槽成功完成全球首次海底多金属硫化物采掘及矿石提升整体联动试验，多金属硫化物采矿技术装备已经具备产业化转化条件。
此外，JOGMEC于2020年在日本专属经济区成功实施了世界首次富钴结壳采矿试验，测试了不同海底条件下采矿车的采矿效率和运行性能，并在试验海域开展环境监测，评估环境影响。
此外，韩国分别于2009年、2012年和2013年开展3次海上试验，基于1/5商业开采规模海试验证了其集矿车行走和控制性能。印度分别于2000年、2006年和2010年完成海底采矿车的水下测试，并开展一系列改进和试验，着眼向深海迈进。图2为不同国家的海底采矿车。
图2 不同国家的海底采矿车
1.2 深海采矿环境影响评估
深海采矿的环境影响一直是国际社会高度关注的问题，其主要发生在两个深度带，一是采矿车附近海底，二是尾矿排放点附近。
采矿车移走海底固体矿物，巨型底栖生物将直接受到采矿车作业影响，大多数类群的生物被破坏后难以短期恢复至未扰动前的环境基线水平；激起的沉积物颗粒随底流扩散形成羽状流，持续时间长、扩散范围广，造成水体浊度增大，影响海水透光性及初级生产过程，其中颗粒物黏附在大型生物表面堵塞呼吸系统，重金属等有毒物质对水体生物产生毒害作用；沉积物与水体界面脆弱的化学环境被打乱，以离子态为特征的间隙水混入近底层水广泛扩散，对生态系统功能产生长期影响。此外，长期采矿作业过程中将产生光污染和噪声污染。
近半个世纪来，美国、德国、俄罗斯、法国、日本等国家和一些科学组织针对深海采矿可能引起的环境破坏问题，相继开展了一系列环境影响调查和实验研究，对底栖生物，尤其是大型底栖生物的影响和恢复进行了监测和评估，如图3所示。
比较有影响的有1975—1980年美国开展的深海采矿环境研究（DOMES），1988—1993年德国在东南太平洋锰结核区进行的扰动和再迁入实验（DISCOL），1996年的后续项目在东南太平洋深海生态系统中的底栖生物调查（ECOBENT），1991—1998年美国、俄罗斯、日本、印度和国际海洋金属联合组织等国家和组织合作进行的底层影响实验（BIE）。
这些工作明显加深和丰富了人们对深海生态系统的认识，同时影响了先驱投资者对环境工作的部署以及ISA对环境管理法规的制定。
图3 深海采矿环境影响实验发展历程
深海采矿的环境影响不可避免。然而，针对深海采矿的环境修复技术仍显著缺失。2002年，ISA召开了国际海洋科研协作前景的研讨会，启动了卡普兰计划（KAPLAN Project），评估深海海底结核矿带的生物多样性、物种分布和基因流动。借鉴卡普兰计划等研究项目的成果，2008年ISA在14届会议上提出了CC区保护制度的一般设计准则。
欧盟在2015年11月召开了MIDAS（Managing Impacts of Deep Sea Resource
Exploitation-FP7/2007-2013）项目研讨会，讨论采矿活动后促进和加速生态系统恢复的缓解和恢复措施。恢复措施应尽量减少影响，避免造成生态系统稳定状态转换，而恢复行动可在采矿试验后尝试。
目前，ISA正在积极推动区域环境管理计划（Regional Environmental Management Plans, REMPs），为相关机构、承包商及其担保国提供积极主动的基于区域的管理工具，在有关的管理地区或需要保护的区域内，找出被认为能代表整个生境、生物多样性和生态系统结构和功能的特定地区，以维持该地区海洋环境的生态平衡，为这些地区提供适当程度的保护，帮助ISA实现国际商定的目标。
首个REMPs区域是东太平洋CC区，以保护太平洋深海结核采矿目标区的生物多样性和生态系统功能。大西洋中脊REMPs于2018—2020年3次开展探讨会，针对多金属硫化物制定区域环境管理计划，对区域环境管理计划草案的地理范围、环境目标、潜在管理方法和措施及实施框架等进行研究。
中国在2017年首倡于西北太平洋富钴结壳三角区开展区域环境管理计划。
2.国内研究进展
中国自20世纪80年代末开始深海采矿技术装备研发，主要采用管道提升式系统方案针对多金属结核开展技术攻关，兼顾富钴结壳和多金属硫化物。
20世纪90年代至今，中国经历了技术方案研发、陆上验证、海上单体海试以及系统联合海试等阶段，尤其是2015年以后，在南海海域进行多次海试，验证了技术方案的可行性。同时，中国在深海采矿技术装备研发过程中越来越重视其对环境的影响，环境监测、评估和修复诸多科学与技术问题得到关注。
2.1 技术方案与原理试验
20世纪90年代，中国针对多金属结核开采，对水力式、复合式两种矿石采集方式，水力提升、气力提升两种扬矿方式开展试验研究，取得了矿石采集与输送的机理、工艺、参数等成果，研发形成基于“水面支持船—管道水力输送—中继站—软管—履带采矿车”的深海采矿系统方案，研制履带自行水力复合式集矿机，并于2001年在云南抚仙湖进行135 m水深湖试。
2005年，中国完成1000 m海试总体设计和各子系统的详细设计，研制了两级高比转速深潜模型泵。2016年，中国首次开展深海采矿单体海试，针对开展深海扬矿泵管输送系统，完成了复杂海况下泵—管系统的布放回收以及多级离心泵粗颗粒矿浆输送，管道布放水深304 m，管道总长638 m，矿浆体积流量500 m3/h，验证了中国深海采矿输送工艺、参数和关键设备设计合理，标志着中国海洋采矿技术的工程实践由陆基转向海洋。
2018年，长沙矿冶研究院等单位联合研制的“鲲龙500”号海底采矿车分别在中国东海和南海成功进行了74、514 m水深海试，其水下定位精度达0.72 m，实现了“S”形路径采矿作业，实现海底连续无故障行驶。
2021年，上海交通大学研制的深海重载作业采矿车“开拓一号”成功进行1300 m深海试验，验证了海上布放回收姿态控制、海底自主行进控制等技术。
此外，大连理工大学联合长沙矿冶研究院等国内优势单位共同研制完成中国首套深海矿产智能化混输系统，于2021年在南海北部成功开展海上试验，混输系统下放深度超过500 m，完成了整个系统的布放回收过程。
图4 中国开展的多金属结核开采技术装备海试
2005年，中国开始对富钴结壳采集装置开始样机试验和数值仿真研究。2016年，长沙矿山研究院研制的富钴结壳采矿头在西太平洋合同区成功开展了现场采掘试验，验证了螺旋滚筒采矿头的可行性；2018年，长沙矿山研究院研制的富钴结壳规模取样器“鲲龙2000”开展2000米级海试（图5），并于2019年完成2900 m水深的声学测厚、行走、截割与采集等综合海试，并采集了150 kg富钴结壳。
同期，中国科学院深海科学与工程研究所于2018年在南海海域2500 m水深开展富钴结壳规模采样车海试，获取富钴结壳矿石样品；2020年，由中国科学院深海科学与工程研究所和招商局工业集团有限公司共同研发的富钴结壳采矿车于1300 m水深的海山区完成了海底行走、切削破碎、样品采集等独立作业任务，并与“深海勇士”号载人潜水器联合作业，实现原位监测与环境采样（图5）。
图5 中国开展的富钴结壳开采技术装备海试
2.2 深海采矿环境影响评估
通过开展海洋环境基线时空自然变化的调查和研究，对于阐明基线自然变化的范围，区别自然变化和非自然扰动对海洋生态系统的影响，准确评价非自然扰动对生态系统的影响，提供潜在深海采矿的环境影响程度评判的关键参数，以及提供制定有关深海环境保护法规的科学依据等方面均具有重要意义。
2016年，中国颁布实施《中华人民共和国深海海底区域资源勘探开发法》，规范了中国深海资源勘探开发活动，明确规定环境监测是每个海底采矿项目所必须进行的工作，并针对环境保护制定了严格的环境保护规则、标准和措施，包括：制定预防性办法、推进最佳环境做法、开展环境影响评估、建立环境基线、制定和实施环境监测方案、制定和启动应急预案、采取应急措施、承担污染损害海洋环境的法律责任等，对推进深海科学技术研究及资源调查、保护深海环境、促进资源可持续利用均具有重要作用。
在“十三五”国家重点研发计划“深海多金属结核采矿试验工程”项目的支持下，中国对多金属结核开采试验中产生的羽状流开展数值模拟，初步构建深海矿产开采羽状流理论模型，并于2021年深海采矿联动试验中开展环境监测。目前，中国尚未针对深海采矿作业活动开展环境管理和环境修复工作，需进一步开展相关研究。
2.3 技术状态与差距分析
综合分析，近年来中国深海矿产资源的勘探和开发等技术均取得快速的发展和丰富的成果。随着2021年中国在南海多次单体海试和系统联合海试的成功，中国已经基本具备深海矿产资源勘探开发的总体技术储备。
然而，目前大量的试验仍为原理或样机试验，持续时间较短，对稳定性、可靠性、监测预警以及应急处理的要求不高。针对商业化的开采，中国仍需在技术方案制定、关键设备研发、系统可靠性测试、环境影响与修复研究等诸多方面开展进一步的深入研究与验证。
针对深海采矿的环境评估，中国对多金属结核开采做了大量的调查工作，然而中国的研究仍以采矿活动及其前后的环境调查和监测为主，尚未专门针对采矿环境影响开展全面、系统的原位扰动测试与技术评估，对采矿活动周围环境的物理化学过程、生物多样性影响等尚无明确认识，针对深海采矿的环境评价方法尚未建立，对深海采矿的环境影响程度尚无法进行定量评价。
针对深海采矿共113项关键技术，中国工程院重大咨询项目“海洋装备发展战略研究”利用德尔菲专家问卷调查方法分析了国内外的主要技术实现和社会实现时间，如图6所示。
结果表明，世界的主要技术实现时间在2021—2025年，预计2030年全部实现；相比而言，中国的主要技术实现时间集中在2026—2030年，预计2035年全部实现；对应地，中国的社会实现时间相应延迟，主要集中在2026—2035年，且仍有少量需2035年后才能实现。总体上来看，中国技术实现时间仍滞后世界，但在2030年之后能够基本实现各领域技术的同步。
图6 深海采矿技术项实现时间
3.关键技术和环境影响挑战
3.1 技术装备挑战
1）深海采矿系统极其庞大
深海矿产资源开发是一项庞大且极其复杂的系统工程，涉及矿区资源勘探、采矿作业、矿物预处理以及全过程中的环境保护与恢复，开发过程受严格的环保要求及复杂海洋环境等方面的约束，技术体系极为复杂，其理论支撑、体系结构、作业模式、可靠性及运维技术等环节亟待提高。
2）深水环境条件极端恶劣
深海采矿通常是在水深可达6000 m的海域进行，海洋环境下的风、浪、流以及内波等条件，将对于水面支持船、提升管道、海底采矿车在其安装、生产、维护、风险规避以及回收等各个阶段的正常运作和安全有着重要影响。此外，深海地质、地形、水深、矿石赋存形式的复杂性，对于采矿车海底作业有着巨大挑战。
3）泵管关键设备可靠性不足
长距离输送中，单台提升泵难以满足水深要求，多级提升泵串联则需要实现功率扬程匹配，系统可靠性面临较大挑战。提升泵的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击等技术难题仍未解决。矿石提升系统中大颗粒固液两相流存在堵塞风险，在复杂海洋环境中超长管系的动力响应机理还不明确，对于管道系统的可靠性设计研究不够深入。
