机械巨手伸向海底 科学家来得及抢回海绵和它朋友们?

机械巨手伸向海底 科学家来得及抢回海绵和它朋友们?
2019年09月24日 09:19 新浪科技综合

  来源:Nature自然科研

  目前已经有一些旨在采集海底珍贵矿石的计划在推进,但科学家们认为那些公司还没有进行充分的试验来避免对环境造成毁灭性打击。

  1972年,年轻的生态学家Hjalmar Thiel来到了太平洋的一片偏远海域——克拉里昂-克里帕顿断裂带(Clarion-Clipperton Zone, CCZ)。这里拥有世界上最大的尚未开采的稀土金属矿藏之一。海面往下4000米左右,CCZ的深海底泥中有着数以万亿计的多金属结核,它们是马铃薯大小的沉积物,饱含铜、镍、锰和其它珍贵的矿物。

太平洋一座海底山上生活的幽灵般的海绵,这里已经被计划从事海底采矿的公司列为目标之一。太平洋一座海底山上生活的幽灵般的海绵,这里已经被计划从事海底采矿的公司列为目标之一。

  Thiel感兴趣的是这个区域几乎未被研究过的小型底栖生物——生活在矿物结核之上和矿物结核之间的微小动物。他的旅伴都是打算开矿的人,迫切想要从富饶的矿藏中捞一把。“我们吵了很多架。”他说。在另一次旅程中,Thiel探访了红海,和他同行的未来采矿者也急着想要从那里富含金属的底泥中提取值钱的矿物。有一次,他警告他们,如果他们按照计划采矿,把废料污泥泼在海面上,很可能会让小型浮游生物无法呼吸。“他们差点把我淹死在海里。”Thiel回忆起他的旅伴们时说。

  在后来的对峙中,当时还在德国汉堡大学工作的Thiel质问工业界计划如何测试海底采矿的环境影响。人们不耐烦地建议他自己做测试。于是从1989年开始,他真的做了。

  三十年后,Thiel和一位同事筹建的试验仍然是有史以来关于商业性深海采矿潜在影响的最大规模的试验。这个简单的试验被命名为“DISCOL”,主要过程是用一个八米宽的“犁耙”从太平洋底一块11平方公里的试验场中心刮过。这个模拟采矿过程导致一大股沉积物被搅动起来,它们落下来覆盖了试验场的大部分区域,让海底的生物都喘不过气来。这个试验表明海底采矿的影响比任何人预想的都更深远,但它实际上并没有提取任何矿石,而矿石移除会损害更多海洋生物。

  已经有很多人尝试过改进DISCOL的基础试验手段,但还没有成功案例,大部分是因为技术上或财力上的障碍。最近的一个采矿试验,今年四月打算在CCZ测试一种矿核采集机器人,由于技术故障在最后关头被取消了。这个试验由比利时公司Global Sea Mineral Resources设计,本可以帮助科学家们更好地研究一个25吨拖拉机拖过海底进行采矿作业的影响。

克拉里昂-克里帕顿断裂带(CCZ)海底遍布着锰结核。克拉里昂-克里帕顿断裂带(CCZ)海底遍布着锰结核。

  “这绝对是一个很大的挫折,因为要开始观察这些大型重型机械在海洋环境中的作用,这几乎是唯一的机会。”Kristina Gjerde说,她是国际自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)的公海政策顾问。

  深海采矿的发展过程充满了坎坷,自从将近半个世纪前狂热的工业界人士证明了从海底提取稀有金属和矿物在技术上可行以来,一直就是如此。公司和国家经常宣称它们很快就将从深海获取贵重的矿石,但商业性的活动一直由于种种原因未能开展——尤其是巨额的前期投入、处于历史低点的深海矿石价格以及缺位的法律法规,这些都使投资者有所担忧。

  “技术是有的,是财力和法规监管方面的不确定性使这个行业止步不前。”Govinder Singh Chopra说,他是新加坡的深海采矿支援船设计公司SeaTech的创始人。

  如今,这个方兴未艾的行业似乎终于迎来了突破期。电动汽车和风能太阳能存储使电池的需求量日益增长,拉高了许多稀土金属的价格,也有力支撑了海底采矿的商业意义。更重要的是,业界期待已久的法规将在2020年以采矿条例的方式定稿,条例中会规定一个流程,使工程队能够申请30年的开采执照,在像CCZ一样的国际海域指定的“认领区”开矿。开矿者已经在这些认领区进行勘探了,但是在法规实施之前,任何商业开采活动都不能启动。该行业的投资正在增长。

  6月,位于加拿大温哥华的初创公司DeepGreen宣布,他们将筹款1.5亿美元,开始勘探太平洋部分海域的矿产宝藏——这是一个行业信心增长的标志。

  但是,科学家和环保人士担忧,法规的推出会鼓励工业界过早开始采矿,而目前还没有足够的知识来避免采矿机造成严重的环境破坏。现有的少量数据表明,深海采矿会对海洋生物产生毁灭性且可能不可逆的影响。

从CCZ深海海底捕集的深海生物。从左上角起顺时针方向:一种被叫做“松鼠橡皮糖”的长尾蝶参(Psychropotes longicauda)、一个海胆和另外两种海参。从CCZ深海海底捕集的深海生物。从左上角起顺时针方向:一种被叫做“松鼠橡皮糖”的长尾蝶参(Psychropotes longicauda)、一个海胆和另外两种海参。

  自从DISCOL试验结束后,科学家们已经回访了试验点四次,最近一次是在2015年。试验点始终没有恢复过来。被犁过的区域看起来和30年前一样显眼,像海绵、软珊瑚、海葵之类的标志性动物仍没有重现。“破坏程度之大,影响持续时间之长,远远超出我们的想象。”Thiel说。

  寂静之地

  深海——一般指海面200米以下的疆域——是一个充满极限的世界。很多地方的海底,温度在0°C左右徘徊,几乎没有光,而压强可以超过1000巴,相当于一对大象站在你的大脚趾上。但这里仍然有生生不息的生命。深海中有多种多样的生态系统,而研究人员才刚刚开始了解它们。

  开矿者们为了探寻潜在的采矿点,主要关注三种环境。像CCZ一样的深海平原上散布着金属结核,它们是百万年间金属缓慢地沉积在鱼类牙齿、骨头和其它小型物体周围而形成的。这是地球上最安静、最偏远的生态系统之一,细小的泥沙颗粒缓缓落下,一千年才积累大约一厘米。在那低能量值的环境中,生活着多毛纲虫类、甲壳类、海绵、海参、海星、蛇尾、海胆以及多种深海鱼类,当然还有无数微生物和埋藏在泥沙里的微小生物。

  另一种矿藏是海底山上金属含量很高的外壳,它们比海底平原高几千米。这一层外壳富含高价的金属,比如钴、铂和钼。海山上的主要生物有珊瑚、海绵和其它一些滤食动物,以及鲔鱼、鲨鱼、海豚和海龟。

南印度洋大洋中脊附近的深海生物。从左上角起顺时针方向:海葵、蛇尾、棘柳珊瑚和石笔海胆。南印度洋大洋中脊附近的深海生物。从左上角起顺时针方向:海葵、蛇尾、棘柳珊瑚和石笔海胆。

  第三种受到关注的矿藏是大量的硫化物,富含铜、铅、锌、金和银。这些矿石在温度极高的热泉周围形成,沿着海底的火山山脊分布。这些深海热泉为一些生物提供了生存环境,比如体型不大、盲眼的基瓦多毛怪(也叫雪人蟹,Kiwa tyleri),它们长着极有特点的金色毛发;还有鳞脚螺(Chrysomallon squamiferum),它们柔软的身体上披着“铁甲”,是因为采矿威胁而被列入濒危物种的第一种深海生物。

  多年来,一般认为最早进行矿业开发的深海环境将是巴布亚新几内亚领海的深海热泉。来自加拿大多伦多的Nautilus Minerals公司原本在推进该项目,但由于财务困难和当地人的反对不得不搁置。这使得CCZ成为了最有可能首当其冲的深海矿场。据估算,这里的矿物结核所含的钴、锰和镍比陆地上已知矿藏的总和还多(见下图)。CCZ从夏威夷一直延伸到下加利福尼亚半岛,宽度和美国本土相当。

来源:地图:M。 Hannigton et al。 Nature Geosci。 10, 158–159 (2017);数据:J。 R。 Hein et al。 Ore Geol。 Rev。 51, 1–14 (2013)来源:地图:M。 Hannigton et al。 Nature Geosci。 10, 158–159 (2017);数据:J。 R。 Hein et al。 Ore Geol。 Rev。 51, 1–14 (2013)

  一些公司正在稳步推进开采CCZ中矿产的计划。国际海底管理局(International Seabed Authority, ISA)是联合国为了推动和监管海底采矿而设立的组织,包括168个成员国。在过去十年间,国际海底管理局已经向各国政府支持的承包商颁发了29个勘探执照,允许它们在许多深海区域寻找矿物;其中16个执照面向CCZ,覆盖了CCZ总面积的20%左右。

  自从1972年Thiel初探这个海域,科学家们已经对它进行了更为细致的研究。来自夏威夷大学(火奴鲁鲁)的深海生物学家Craig Smith已经研究CCZ的生物群落30年了,他采集到了海参、海胆、软珊瑚、海星、海葵、蠕虫和许多其它生物。他的团队采集到的大约90%物种都是科学界未知或从未描述过的。其中一些稀有物种在其它深海区域也从未被发现过。Smith认为,即使到现在,科学家们也只采样调查了CCZ 0.01%的面积。

  在一块被英国认领的5.5万平方公里的海域,Smith和同事们出乎意料地收集到了1000多种动物,他们估计这还不到该区域实际物种数量的一半。“这还没有算进微生物,它们有十万多不同的种。”Smith说。“我们认为CCZ有几千种特有的物种,”他说,“我已经研究这里的生物多样性有几十年了,但了解的还很少。”有些物种的分布范围可能很小,所以如果它们在本地被消灭,就等于在全球范围内灭绝了。

  数据鸿沟

  深海采矿会对一些物种造成威胁,不过也唤起了人们对海底生物多样性的关注。法律规定,采矿者必须先评估他们认领的区域内有哪些生物。Smith和其他许多深海生物学家会开展生态学调查来帮助承包商确定一个参考基线。然后,准备采矿的人可以进行一些测试来弄清楚他们的设备会对作业环境造成什么样的影响。

南印度洋一处深海热泉的一只盲眼基瓦多毛怪(Kiwa tyleri)。南印度洋一处深海热泉的一只盲眼基瓦多毛怪(Kiwa tyleri)。

  这些研究的目的是帮助采矿者和国际海底管理局降低矿业的潜在危害,制定环境管理计划。但很多研究人员表示,这个体系在现实中运转得并不好,一部分是因为对基线数据的要求很低。

  这些数据以往都是保密的,但这个月(注:2019年7月)将变成公开数据。“这将是个水落石出的时刻,我们将第一次能看到承包商所掌握数据的数量和质量。我的猜测是,很多承包商并没有做到对我们来说称得上完备的基线评估。”Daniel Jones说道,他是英国南安普顿的国家海洋中心的深海生态学家。

  研究人员的另一个担忧是,目前并没有要求在商业采矿开始之前,测试那些巨型采矿机的环境影响。1970年至今,矿物结核采集方面只进行过12次小规模的试验,大部分都是使用约2.5米宽的机械来搅动海底。这些试验中,DISCOL被认为是最先进的,主要因为使用的犁更宽,覆盖区域更大,数据的时间跨度更长。“所有这些研究都有缺陷,DISCOL也不完美,但我们只能这样了。”Jones说。

  很多科学家和环保人士认为,问题的根源在于国际海底管理局(ISA)有着双面职能。1994年联合国建立ISA之初,它被指派了两项任务:一是保护国际海床不受严重破坏,二是开发其中的资源,造福人类。(在各国领海,每个国家可以制定自己在海底采矿方面的法规,但它们必须至少和ISA明年即将颁布的法规一样严格。)ISA“属于监守自盗”,Hannah Lily说。她是伦敦皮尤慈善信托基金会(Pew Charitable Trusts)的海事律师,但她所说的并不代表皮尤的机构观点。

  ISA已经对一些担忧做出了回应。例如声明“ISA极其重要的一项任务就是保证监管下的活动都有适当的环境评估和安全保障”。

  ISA也表示,“所有决议都是168个成员国的合议,每国一票。”迄今为止,成员们只批准了勘探类的活动。

  比利时承包商Global Sea Mineral Resources对采矿者和ISA的工作推进情况表示了支持,并且表明ISA一直在积极设计环境管理方案,包括划出了九个格外需要环境保护的区域。这样划分的意图在于使这些区域(占CCZ 30%左右)不受采矿侵扰,保护生物多样性。

  泥中窒息

  如果真的要在CCZ采矿,最早也要将近十年之后。Global Sea Mineral Resources的目标是到2027年建成第一个商业深海矿场。它真正启动时,海底会出现类似这样的场景:像联合收割机一样大的机器缓缓爬行,在收集金属结核的过程中吸入表层10厘米左右的柔软泥沙。科学家们表示,由于结核生长极其缓慢,开采几乎意味着使它们永久从海底消失。

  金属结核对于CCZ的很多生物来说是不可替代的栖息地。“对附近生活的大部分动物来说,采矿是致命性的。这会消灭大部分大型动物和附着在结核上的所有生物。我觉得这是非常确定的。”Henko de Stigter说,他是荷兰皇家海洋研究所(Royal Netherlands Institute for Sea Research)的海洋系统科学家,很多研究人员都认同他的这个评估。

  但在CCZ采矿的影响不仅仅是会杀死金属结核周围的生态系统。采矿机在海底移动时,会搅动起大片云雾般的泥沙,这些泥沙散布开,可能要到几万公里以外才能完全沉降下来。泥沙密布的地方,海底的动物可能会被埋住而窒息。究竟泥沙能散布多远还是个未知数。“我们刚刚开始看到泥沙流能走多远,至于它们的后果还远没有了解。”de Stigter说。8月,他将在地中海的浅水中测试一种金属结核采矿机的样机。

  科学家们也在开展实验室计算机模拟来评估被扰动的泥沙的影响。一月份发表的一个计算机模拟试验(B。 Gillard et al。 Elem。 Sci。 Anth。 7, 5; 2019)显示,泥沙沉降所需时间可能达当前估算值的十倍,这意味着它们很可能在水中播散到更远的地方。有些研究者认为,即使采矿操作只搅起微量泥沙,也可能使远处的海底生物窒息。

  在CCZ,金属结核被采矿机收集之后,就会通过几公里长的管道输送到海面上的作业船,在那里每天将分拣出数百万结核,再把废弃的泥沙送回海里,又造成一股泥浆。目前,关于废弃物在哪里处置还没有明确的说法,部分原因是将泥沙输送回海底十分昂贵,技术上也有难度。有一种提议是将泥浆注射到1000米的深度,但距离海底仍有几千米。科学家们担忧,像Thiel三十年前担心过的一样,这样做会伤害甚至杀死中层水深的生物。

  如果没有更多关于深海生态环境的信息,研究人员很难去定义潜在的风险。“什么才算是严重的危害?当然有一些明确的红线,但这个问题还是没有确定的答案。”Gordon Paterson说,他是ISA的法律技术组(Legal and Technical Commission, LTC)的三位生态学家之一,这个技术组相当于一个科学顾问团。“我们知道全球性物种灭绝算是严重危害,我们也知道抑制碳封存是严重危害。科学家知道采矿会造成CCZ一些物种的区域性灭绝,但究竟是整个CCZ中灭绝,还是只在采矿区?这都很复杂。”他说。

在北太平洋,远程操控的机械臂抓起了一个金属结核,上面长了一个深海生物。在北太平洋,远程操控的机械臂抓起了一个金属结核,上面长了一个深海生物。

  如何开拓一个新行业

  虽然数据匮乏,ISA仍在尽力明年完成法规的制定。7月,ISA委员会在牙买加金斯敦召开会议,研讨采矿条例草案,涉及采矿业运转的各个方面——环境、管理和财务等。ISA表示他们在制定条例的过程中听取了科学家们的建议。“这是我们有史以来为一种工业生产活动所做的最多的准备了。”ISA的秘书长Micheal Lodge说,他认为采矿条例只是一个大致的导则,未来还有继续完善深入的空间。

  很多科学家也赞同这个说法。“这比起我们过去对待油气开采、砍伐森林还有核废料处置的方式,已经好太多了。”德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心的生物地球化学家Matthias Haeckel说。

  一些研究人员批评ISA只听取了三位LTC生态学家的意见。但美国杜克大学的深海生物学家Cindy Van Dover说,ISA也从像她这样的科学家那里得到了免费的帮助。“在幕后还有很多科学知识提供给了ISA。”她说。

  ISA遭遇的另一项指责是,它的决策过程并不公开透明;ISA法律技术组的会议都是闭门的,总结报告也缺乏细节,Gjerde和Jones评论道。很多人尤其不满的是,在发放勘探执照的过程中没有更多参考科学家的意见。例如去年,波兰获得了大西洋中脊一万平方公里的勘探权。这片区域紧邻“失落之城”(Lost City)——一处被联合国教科文组织认定为世界遗产的独特深海热泉。科学家和环保人士都很反对这项决定。反对者包括苏黎世联邦理工学院的生物学家Gretchen Früh-Green,她是2000年发现“失落之城”的团队的一员。

  显然,很多人希望采矿业在开始商业开采之前,能找到更好的评判深海采矿的环境危害的方法。“作为DISCOL的创造者,我认为我们需要更好的试验。”Thiel说。但承包商认为开展实际规模的采矿试验,成本昂贵,难以承受。

  ISA认为继续下一步行动是有好处的。“一旦开始采矿,你就有持续的监测,然后你就可以制定一些标准,而且等你对已有的活动监测形成一个反馈链条,你就可以逐步提高标准。”Lodge说。

  不是所有人都相信这种“走一步看一步”的方法会奏效。“如果这个行业发展到一定程度,有人投资了,他们就会需要一定的保障说他们确实可以采矿。因此监测采矿试验也改变不了太多。”Thiel说。Jones也赞同,“法规一旦落地就很难修正了,”他说,“那还需要那么多国家一致通过,而他们并不经常会面。”

  目前,ISA需要完成的一个艰巨任务是使168个成员国在条例草案上达成共识,环保人士和科学家们希望这个条例能监督工业界对环境负责。在那之后,矿业公司要花上几年的时间来筹措项目资金,建造和调试设备。鉴于这几重阻碍,科学家们还有机会改进他们评估海底采矿的环境风险的方式。“你总不能把头埋进沙子里,”Van Dover说,“然后就指望问题自己消失不见。”

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