環境與生態

深海採礦爭奪戰

深海底部有豐富礦核,藏量堪比陸上礦藏,各國已展開採礦作業,卻也衝擊了深海生態系。科學家正加緊研究步伐,設法減少危害,以防生態浩劫。

撰文/皮考克(Thomas Peacock)、阿爾佛德(Matthew Alford)
翻譯/張雨青
2018-06

環境與生態

深海採礦爭奪戰

深海底部有豐富礦核,藏量堪比陸上礦藏,各國已展開採礦作業,卻也衝擊了深海生態系。科學家正加緊研究步伐,設法減少危害,以防生態浩劫。

撰文/皮考克(Thomas Peacock)、阿爾佛德(Matthew Alford)
翻譯/張雨青
2018-06

重點提要
■對特定金屬的需求快速攀升,有些具經濟價值的陸地礦藏量越來越少,各國與企業可能選擇海底採礦。
■超過4000公尺深的海底,拳頭大的礦核散佈各處,鎳、銅與鈷等金屬含量豐富。
■採礦機在海底挖取礦核,會在四周拋棄沉積物;加工船則會把沉積物送回海中。陸上採礦同樣也會影響環境。
■在深海採礦產業成形過程中,若能讓科學研究持續進行,並設法降低衝擊,就能訂出明智的規範。BR>


在美國聖地牙哥外海約50公里處,我們操作著水下1000公尺的測具,那是在今年2月下旬的事。我們的研究船莎莉萊德號(RV Sally Ride),載有八個貨櫃,每個都和小轎車一般大,裝滿從太平洋深處撈起的底泥。當天上午,我們把泥巴放進一個巨大水槽裡,加入海水攪和一小時後,把整槽泥水用60公尺長的大排放管從船的側邊注入海中。


顆粒受到洋流牽引,從船邊向下往外擴散,我們追蹤了六小時。吊掛在船邊的複雜探測器陣列,讓我們得以測定水柱中羽流(plume)的形狀與沉積物濃度。但訊號越來越弱。


「深海採礦」是一項迫在眉睫的議題,可能很快就要對海洋造成重大衝擊。我們的目標是針對此議題取得海洋數據。


世界各國政府與企業猶豫幾年之後,決定開始探索深海海床,尋找有用的礦物,其中以鎳、銅與鈷為主。海下數千公尺處有拳頭大的礦核沉澱,裡頭就含有這些金屬。大小如同聯合收割機的自動採礦機貼著海床徐行,把含有礦核的表層沉積物吸起,所經之處翻攪起一陣沙土。採礦機沿途把礦核抽進一條數公里長的大輸送管,送上平底船。原料在船上過篩,每天分離出數百萬顆高密度金屬礦核,剩餘的沉積物則送回海中,向下形成沉積物羽流。


這一整套流程會如何影響海床以及其上方的生物?我們的排放試驗是找出解答的第一步。


全球金屬需求攀升,陸地上一些優質礦藏卻日漸枯竭。幾家企業例如全球海洋礦物資源公司(GSR)與英國海底資源公司(UK Seabed Resources),紛紛投資深海採礦,認為比陸上開採更划算,特別是在廠商被迫遷就等級較差的礦區,而且產出的礦砂也不容易精煉的情況下。


某些陸上礦物資源不多的國家,諸如日本、韓國,也想湊一腳,探勘海中廣大的礦床。去年9月,日本石油天然氣金屬礦物資源機構(JOGMEC)進行第一套大型商用試驗,在沖繩附近的日本專屬經濟海域內,用挖礦原型機把數以噸計的鋅與其他金屬從1600公尺深的礦床淘出。小島國家與其他地區,例如東加與庫克群島,由於資源有限,難以自行扶植這類產業,則討論是否對外租售經濟海域的開採權。而管理「國際水域」(international waters,又稱公海、國際海域)商業活動的「國際海底管理局」(International Seabed Authority, ISA)已發出28張探勘執照,准許來自20國的機構在海底開採樣本。


科學家則努力想釐清更多潛在危害,以及找出降低傷害的措施,此時此刻,各國政府、產業界、ISA、大學與科學機構也正合作研究相關問題,其目標與我們研究相似。有別於過去煤礦、油礦、磷礦與其他天然資源的開採,科學界這回有機會在大型採礦產業崛起之前,與各方陣營攜手建立有效的防護機制,以及評估海中開採相對於陸上開採的衝擊程度。


海洋礦藏獲利可期


一個半世紀前,瑞典探險家於西伯利亞外圍的喀拉海(Kara Sea)首度發現海洋礦藏。1870年代知名的英國艦隊挑戰者號(HMS Challenger)遠征,把近代海洋學往前推進,期間也證實海中處處有礦藏。1970年代,美國中央情報局(CIA)精心策劃一場騙局,對外宣稱採集錳核,實則暗自在太平洋打撈沉沒的蘇聯潛艇K-129。然而當時深海開採的技術難度高,礦物價值低,業者實際進行商業探勘的意願不高。


過去10年,業者對海底採礦的興趣明顯提高。全球人口增加、都市化、消費力提高,以及運用特定金屬的技術普及,大大推升市場預期需求。例如全球的鎳需求目前約每年200萬公噸,估計2030年將攀升50%。陸上的鎳礦蘊藏量約7600萬公噸,而單單克拉利恩-克利珀頓破裂帶(Clarion-Clipperton Fracture Zone, CCFZ)這塊從夏威夷延伸至下加利福尼亞半島的深海平原,海底礦核所含的鎳就接近陸上藏量。鈷的情況也類似:陸上藏量約700萬公噸,CCFZ的鈷核則有過之而無不及。


令人寄予厚望的礦源主要分成三種型態。第一種是海底熱泉,無論活躍與不活躍,都源於火山活動遺留的裂口,熱物質沿板塊構造邊緣冒出,形成海底熱液硫化物(seafloor massive sulfide),是含量甚豐的礦源,含有銅、鋅、鉛與金。巴布亞新幾內亞已核准加拿大的鸚鵡螺礦業公司(Nautilus Minerals)在經濟海域內不活躍的索瓦拉一號區(Solwara I)開採硫化物。ISA則簽發了七張在公海非活躍地帶探勘硫化物的執照。活躍地帶因具有獨特的生態系,科學家呼籲中止開採。


第二種礦源是鈷華(cobalt crust),由海水中的金屬自然析出,沉澱於海底山的頂部與側壁的堅硬岩盤。這層「皮」長得很慢,每100萬年只長幾公釐,一般會長到5~10公分。除了鈷,鈷華中還含有鎳與其他具經濟價值的金屬。儘管ISA核發了四張西太平洋的探勘執照,採集鈷華可能是最費事的選項,因為鈷華很難從岩石上刮起,而且岩壁通常陡峭,在海下很難開採。


大多數深海採礦企業瞄準的是第三種礦源,即含有多種金屬的錳核,下文僅探討錳核的開採。有些錳核散佈於海床上,有些埋在廣大區域的沉積物中。它們於海下數千公尺深處形成,是由海水中的金屬圍繞岩屑析出,沉澱後形成結核,直徑每100萬年增長約一公分。


ISA核發了16張CCFZ的礦核探勘執照。礦核組成雖不盡相同,但典型的礦核樣本中,鎳、銅與鈷約佔3%的重量,這是真正值錢的部份;錳的含量約25%,如果大規模開採,全球供給量將大增;礦核剩下的部份,多是無經濟價值的硬化物質。


礦核是新的金礦


考察潛在礦區,需要出海好幾個月,從船上把無人水下載具與箱型採集器放入海中蒐集樣本。待探索的海域太廣,因此得用實驗樣本的統計數據外推到整片海域。若一礦區的礦核濃度高於每平方公尺10公斤,而且礦核埋於沉積物表層、易於撿拾,加上海床的坡度小於10%,便可架設粗重的導軌供採礦機運行,探勘者就會認定這礦區符合經濟效益。


採礦機透過電纜與船隻連結來得到動力,在海床上進行地毯式搜索,日行約50公里。最常見的模式是循著棋盤狀的路徑,來回走遍整片礦核地帶,棋盤一格的寬度以公里為單位。沿途由無人水下載具引導並監測周遭環境。


採礦機把礦核連同沉積物吸起或挖起時,會初步執行礦核分離的若干步驟,並把不要的沉積物排出,而在後方攪起一片混濁。含有礦核的泥漿經由設有一連串幫浦的長管送上作業船,這樣的抬升系統在石油、天然氣及疏濬業界行之有年。礦核在船上被分離出來,無用的沉積物則透過排放管下放回海中。大型貨輪把礦核運到陸地上的處理廠,把值錢的金屬提煉出來。


經濟效益研究指出,業者一年必須要蒐集乾重300萬公噸的礦核,從中獲取約3萬7000公噸的鎳、3萬2000公噸的銅、6000公噸的鈷以及75萬公噸的錳,才算有利可圖。


海洋生物全面遭殃


ISA是依據聯合國海洋法公約(UNCLOS)而成立,要求簽署國盡全力保護海洋環境。ISA核准的海洋探勘區達15萬平方公里,由於批准或加入公約的167國與歐盟都把公海的海底資源視為「人類的共同資產」,有意開採的業者或組織因而必須由批准公約的國家資助。完成調查後,業者把探勘區一分為二,由ISA決定哪一塊保留給開發中國家供其日後開採。


研究指出,歸屬業者的7萬5000平方公里海床中,具開採經濟效益的範圍約1萬平方公里(CCFZ的0.2%左右)。採礦機挖走了海床10~15公分的表層,並把海床壓得密實。生長於礦核上與沉積物中各式各樣體長50微米以上的生物,大多會命喪機具輪下,或是在沉積物被攪起又沉降時窒息。


其他更小的微生物例如細菌,會隨同沉積物漂到幾公里外才沉降下來,可謂命運未卜。而以礦核為家的細菌可就更不妙了,礦核的形成要花上數百萬年,遠離深海熱泉的生物群落又發展得很慢,可想而知,開採過的海域不可能在人類時間尺度內復原。近30年前,德國研究人員在秘魯海盆水深4100公尺處用雪橇模擬採礦,留下一道道挖痕。2015年,調查員重訪舊地,發現那些痕跡就像剛挖的一樣。


沉積物被採礦機擾動四散,造成的衝擊也是疑慮之一。深海中微弱的背景洋流,流速每秒數公分,可把沉積物顆粒從採礦作業處帶離好幾公里。沉積物多半細微,直徑約0.02公釐,沉降速度一般為每秒一公釐。這類的沉積物被採礦機攪起後會在背景洋流裡上衝約10公尺,再從開採處向外漂流約10公里遠。


這樣的估算可能過於簡化,因為細微的沉積物容易凝集成較大團塊,沉降速度比單一顆粒更快,水平擴散範圍可能因而受限。然而背景沉降速度低到每1000年僅一公釐,以致生物學家認為,採礦機噴出一丁點沉積物都能使遠處的海底生物窒息。海床被機具重壓後變得密實,也會使生存其中的生物難以透氣。深海中偶爾會有「深海風暴」(abyssal storm)把沉積物從海底刮起,相關效應的研究可提供有價值的啟示。


上層洋流流速較快,渦流也較多,要估計船隻下放沉積物對海洋環境與生態的衝擊程度並不容易。排放管可向下延伸數百公尺,從中排放出的沉積物羽流略呈錐形,規模數十公尺,被海流稀釋、扭曲、搬運,一天可流動幾公里。今年2月在聖地牙哥外海的實驗中,我們運用各種儀器追蹤排放出來的羽流;洋流使羽流變得彎彎曲曲,形成一縷縷互相交纏的捲鬚狀捲流。我們拖著水下裝備在捲流中採樣,需要一、兩個月來分析數據並找出關鍵資訊,包括排放管附近與遠處的沉積物濃度。


研究人員也試圖確認開採區的生態危機,對當地生物系及鄰近乃至數公里外深海群落的影響程度。ISA已在CCFZ劃定九大保護區,並在每一個採礦區內發展協定、建立保留區;專家將監測這些地方和其他海域受到的影響。


陸上開採 vs. 海底開採


衡量深海開礦與陸地採礦環境的利弊,甚為重要。例如剛果共和國供應全世界約60%的鈷,挖礦破壞了森林,水與空氣也遭污染,還衍生童工問題。在某些國家,鎳礦業者已把容易開採的礦脈挖掘殆盡,只好向較難開採的礦源下手,卻需要耗費更多能源進行化學處理,因而造成更大的環境衝擊。


把礦核從海底撈到陸地上來處理,也有後遺症。礦核僅30%為有用的金屬,70%為廢棄物,一般是漿液。陸上開採業者通常把這類漿液回填至挖空的礦坑,但數百萬公噸海洋礦核的漿液必須另找地點放置。往好處想,海底採礦機與船隻可以離開原地前往新礦區,而陸地上的挖礦設施一旦興建,很難說拆就拆。


為了減少開採、降低環境衝擊,各界積極發展有效的全球再生計畫,但單靠資源回收無法跟上需求的增長。海底採礦與同等級的陸上採礦相比,對環境的影響孰重孰輕,目前難有定論。


當然,管理方式將會左右結局。總部設於牙買加京斯頓的ISA,管理國際水域,包含全球一半以上的海底(簡稱「區域」)。ISA沒有船可以監督採礦作業,因此由資助國來分擔這個責任。業者或國家一旦被認定開採行為對環境的衝擊超標,ISA可以撤銷執照、勒令停工或加以罰款。


聯合國會員國中,有14國簽署了聯合國海洋法公約但尚未批准生效,特別是美國也在列,另有15國未簽署。這29國顯然試圖在國際水域採礦,無視ISA的規範。ISA必須訴諸國際政治,才搞得定這類局面。


相關組織已草擬公佈「區域」的開發規定,最終意欲涵蓋一切,從有關單位如何審核探勘與開發執照,乃至承包商的責任與海洋環境的保育。ISA期望開發規範能於2020年上路,各國將必須制定專屬的陸上礦核處理設施規範。


各國在經濟海域內也各有盤算。這些由各國掌控的海域,佔全球海洋超過1/3。有些國家離岸200海里(約370公里)以內並無「深海」,但其他國家有,特別是太平洋島國。少數國家例如帛琉,對任何海底開採行為一概說不。其他國家或地區,包括東加、吉里巴斯與庫克群島,則一面尋求產業與國際夥伴,一面制定規範。庫克群島已與美國的海礦公司(Ocean Minerals)簽約,該公司有權優先申請在群島周邊2萬3000平方公里的海域中探勘富含鈷的礦核。


這類活動顯示,海底採礦即將成真。面對經濟成長與戰略利益,有些國家在5~10年內可能開始進行開採測試。就如前述,日本已經行動了。


有一種合作模式值得所有的利害關係人採用,就是進行常態性小規模產業考察的活動同時,連帶執行需求迫切的科學研究。CCFZ中的生態系與資源相關情報,有不少是得搭廠商便車而做的研究。例如,我們的聖地牙哥考察之行,便是麻省理工學院和斯克里普斯海洋學研究所贊助的聯合計畫,並且與ISA、美國地質調查所及GSR合作。2019年,歐洲的自主健康與多產海洋聯合計畫(JPI Oceans)即將與ISA及GSR共同在CCFZ展開研究。


有些商業營運指南與標準或許可以沿用既有產業的做法,有些則毫無前例可循。各方若能繼續合作,深海採礦就能建立一套全球標準。過去,工業化開採一向跑在規定之前,開採頁岩油氣時採用的液壓破裂法(fracking)即為一例,管理機關與人民被迫苦苦追趕。現在正如皮尤基金會(Pew Charitable Trusts)的紐金特(Conn Nugent)所言:「我們有機會在開採前訂好規範,來管理開採行為。」