海底采矿 ： 20 万亿美元的机会

资源开采的未来 ？ AUTHORS 海底采矿提供了独特的20万亿美元机会，用于提取对于电池、电动汽车(EVs)和其他绿色技术至关重要的关键矿物质。本观点探讨了海底采矿作为传统陆基采矿的替代方案的经济潜力和环境影响。传统陆基采矿面临挑战，包括矿石品位下降、更严格的环保法规以及生产成本上升。 Ilya Epikhin Carlo Stella Amer Hage Chahine Trung Ghi Alexey Pankov Artem Malkov Marwane Smaiti 通过利用具有潜在较低环境影响的更高品位矿床，公司如The Metals Company（TMC）、Global Sea Mineral Resources（GSR）和Deep Sea Mining Finance（DSMF）可以多元化其资源组合，并确保能源转型所需关键材料的稳定供应。此外，发展新的海底勘探和开采技术对于深海采矿至关重要。遥控操作车辆（ROVs）、自主水下车辆（AUVs）、海底采矿车辆（SMVs）和管道提升系统等只是其中的一些技术。 丰度 尽管传统的陆基采矿因矿石品位减少、严格的环保法规以及不断上升的生产成本而受到越来越大的限制，海底矿藏却异常丰富且通常品质更高。全球陆地资源与已知海底资源的对比显示，海底矿藏往往超过陆地资源（见图1）。 有三种类型的深海资源 ： 1. 多金属锰结核 (PMN) - 在深海区 4 - 6 公里处被发现。 每平方米海底集中了11到15公斤的物质。这些物质大小从几毫米到小土豆大小不等，其确切组成可能有所不同，但通常每个结核可能包含锰（31.2%）、镍（1.4%）、铜（1.14%）和钴（0.2%）。这些结核可能含有比全球陆地储备总和更多的这四种矿物质。聚积物最丰富的区域之一是克拉里翁-克莱普顿区（CCZ），这是一个位于夏威夷和墨西哥之间的约450万平方公里的巨大深海平原。估计CCZ内含有高达300亿吨的结核，其估算价值约为18.4万亿美元。 尽管海底开采可能提供重大机遇，但也存在关于潜在环境影响的担忧，因此许多人呼吁谨慎行事。国际海底管理局（International Seabed Authority, ISA）将在确保建立并维持负责任和可持续的海底开采实践方面发挥核心作用，确保有足够的坚实监管框架到位。 2.海底块状硫化物 (SMS)——发现在中洋脊海底约1,500至3,000米深处的热液喷口处，这些地点富含铜、锌、银和金等贵重金属，是采矿的理想目标。目前，已知有约550个这样的喷口地点，估计资源总量为75亿公吨。 海底采矿技术进展 近期的创新正使得海底开采日益可行。例如，回声测深地形测量通过使用声纳技术进行详细的海底地图绘制和采样，提供了高分辨率图像以识别富含资源的区域。 3.富钴和锰结壳 (CRC)在较浅的水域中发现，位于大约800至2,400米深的海域。这些壳层也含有铜和镍，微量的锂、铊、碲、钇、铋以及铌、钨等稀有地球元素。CRCs在“海山”裸露岩石表面形成，海山是指海底的山丘和山脉，高度可达数千米。图2展示了主要壳层区（PCZ）的位置，这里矿藏集中；最古老的海山可能拥有厚度在10至20厘米的壳层。 水下车辆旨在有效收集矿物 ， 同时在海底障碍物中航行， 是任何沉积物经济发展的核心。它们需要复杂的工程， 因为它们在深度约 6, 000 米的深海环境中运行 ， 压力可达 60 兆帕。主要有三种类型: 1.AUVs在预编程任务上独立操作。它们利用机载电池和高级传感器进行导航，因此非常适合进行广泛的测绘/调查以及在大面积范围内收集地质、生物和化学数据，而无需直接的人类干预。AUV（自主水下航行器）特别适合在偏远或危险环境中执行长时间任务，但受限于电池寿命和复杂的操作能力。它们最适合进行广泛的自主数据收集工作。图 2. 已知资源的不均匀分布 最近的创新正在使海底采矿变得越来越可行 收集方法 有两种主要的资源收集方法 ：机械收集使用专门的工具来收集存款 ， 而液压系统使用强大的水射流来分解沉积物。液压系统特别有效于软质基底中嵌入矿物质的地方（例如，热液喷口周围的SMS沉积物）。 2.相比之下,ROVs系泊于水面船只并实时控制。这种设置允许ROV（遥控潜水器）使用机械臂和工具执行精确任务，对于水下检查、维护和修复至关重要。持续的电源使操作得以延长（对石油和天然气、海洋建设以及搜救等行业来说非常重要）。然而，缆绳限制了移动性，并且ROV操作需要支持船只和团队，增加了成本。Nautilus Mineral的ROV在约1,600米深的地方开采SMS矿床。它配备有成像系统和高精度钻孔设备，以最小的干扰进行矿物测绘和提取工作。 从极端深度获取物料至表面仍是一项挑战。通过系泊提升系统输送物料，该系统包括从海底延伸至水面船只的提升管，强力泵通过这些管道吸取物料，被认为是最佳方法。然而，在6000米深处压力超过每平方厘米0.6吨的情况下，保持高效的流量并非易事。 确保在高压条件下设备的耐用性是另一个关键问题。抗腐蚀合金、高强度复合材料以及实时监控系统的创新提高了这些收集方法的可靠性和效率。更强大的轻质材料、更高效的泵和改进的沉积物管理技术对于平衡经济效益与环境保护至关重要。 3.SMVs,例如，由GSR开发的Patania II号深海采矿船，能够在超过4500米的深海作业，将自主航行水下无人潜水器（AUV）与遥控操作的遥控潜水器（ROV）的实时控制相结合。这些船舶专门设计用于海底开采，利用传感器和人工智能自主导航海底，识别资源丰富的区域，并实时调整操作以收集材料。操作者可以接管进行精确任务（例如提取多金属结核或SMS沉积物）。SMV（深海采矿船）被设计成能够承受极端深海压力，并集成环境管理系统以最小化生态影响。 机械和液压收集技术的应用包括策略以减轻环境影响，例如使用沉淀物容纳系统来最小化扰动沉积物的扩散，以及精确、针对性的提取技术以避免对周围栖息地的不必要的损害。 不可避免地，极端深海环境工作的规模和技术复杂性意味着此类技术的成本仍然是广泛商业应用的主要障碍。 勘探费用 SEABED 矿业正在变得越来越有商业价值 收集车辆每辆成本为1000万至2000万美元。此外，还有大量的离岸支出；用于容纳设备和人员的支持船只成本在4亿至6亿美元之间。在此之上，用于将收集到的材料从海底运输至表面所需的提升系统成本额外为2亿至3亿美元。 不断增长的商业利益 在岸成本同样至关重要。建设一个能够处理海底材料的加工工厂（新建项目，即greenfield）可能需要花费3-4亿美元。对于物料准备、高温预处理、浸出以及金属分离所需的其他高级技术的投资，可能会使总体资本支出增加约3亿至5亿美元。 得益于技术创新、战略合作伙伴关系以及可持续实践，海底采矿业正变得日益商业可行（参见图3）。全球各国政府开始探索其潜力： 2021 年 1 月 ， 挪威成为第一个国家批准在其大陆架上进行矿产勘探和开发。 处理大规模原材物料移动的独特需求，尤其是将开采材料运至加工设施的过程，成本高昂。目前，考虑在CCZ的Clipperton岛上设立中间存储设施作为临时存放点。此举可以减少直接从海底运输到陆地的连续长距离运输需求，使流程更加高效且经济。然而，仍需依赖专门的大批量运输船和配备有高级处理技术的支持船只来完成这一任务。 -日本正在大力投资海底采矿技术和勘探 ， 重点是冲绳海槽的热液矿床。中国也已成为关键参与者。 -挪威科学与大学技术(NTNU) 正在与各种组织合作开发 AUV 。 -中国公司已经获得了多个在中国大陆架扩张区（CCZ）及印度洋的勘探许可证；中国海洋矿产资源研究与开发协会（COMRA）已进行了广泛的经济可行性研究。 因此，深海采矿项目，如TMC的NORI-D和DSMF的Solwara 1的经济可行性，关键在于平衡资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）以及潜在收入流，这由于粗金属价值的波动性，本质上是一项复杂任务。不出所料，商业模型往往需要采用创新的金融策略，结合股权、债务和战略合作伙伴关系，以适应不断变化的金属价格和市场需求。 图 3. 目前从事海底采矿的公司生态系统 局部影响来源 ： Arthur D. Little ， LinkedIn SEABED 矿业将自己定位为满足对重要矿物日益增长的需求的关键参与者 通过推动创新和建立战略合作伙伴关系，海底采矿行业正将其定位为满足日益增长的关键矿物质需求的重要角色，同时努力平衡经济收益与环境保护。例如，日本石油、天然气及金属国家公司（JOGMEC）与印度尼西亚、菲律宾及其他东南亚国家合作，在冲绳海沟探索热液喷口系统。这些合作关系包括利润分享协议、对可持续发展项目的投资以及环境监测承诺等。 环境影响与管理策略 尽管许多人对海底采矿的潜力充满热情，但在考虑到其对环境可能产生的影响后，这一问题仍存在争议性和复杂性。例如，在热液喷口周围的SMS（海底硫化物）沉积物形成了生物丰富的生态系统，这些生态系统由适应喷口极端条件的独特海洋物种构成。采矿活动可能会对海底造成干扰，并产生大量沉积物云团，释放出来自沉积物的有毒物质，从而产生重大后果。同样，富含钴的岩层支持着多样化的海洋生物群落，包括珊瑚、海绵和鱼类。 通过其Solwara 1项目，DSMF与巴布亚新几内亚合作，旨在Bismarck海富含铜、金、锌和银的SMS矿床。巴布亚新几内亚政府将根据提取矿物的价值获得特许权使用费。DSMF还同意投资教育和培训以建立本地能力并发展基础设施。 SEABED MINING 保持了资源回收的潜力 尽管各国在其专属经济区内对海底采矿有相应的管理规定，这些国家层面的规定必须与国际标准相协调，并考虑到当地环境和经济问题。因此，为了确保决策的包容性，政府必须通过公众咨询、环境影响评估（EIA）和利益相关者会议等方式与地方社区、行业参与者以及环保团体进行合作。 深海平原如CCZ的黑暗深渊中的生命可能不如雨林丰富。然而，仅在2023年就在CCZ发现了5000个新物种，这强调了此类栖息地的生态意义；即使在4000-6000米深的地方，海底采矿也会对环境产生影响。从海底开采这些物质会影响这些栖息地，通过创造沉积物羽流覆盖海洋生物，尽管程度上可能比SMS轻。因此，海底采矿伴随着一个权衡：获取一种可以引领可再生能源技术新时代的丰富资源，同时必须解决重要的环境问题。 重要的是，土著社区，尤其是沿海和岛屿地区的社区，在海底采矿活动中拥有重大利益。监管框架必须尊重并考虑这些社区的传统知识和文化遗产。适当的参与过程包括文化敏感的咨询，以确保公正补偿并保护土著权利和土地。 最后，于2024年中发布的研究结果表明，科学家可能发现了海底结节作为氧气生产载体的内在“真正目的”。结节成分充当电池，通过高压将盐水裂解为氢气和氧气。对于此分析的质量、探查等其他因素以及其对海底生态系统的规模和意义仍然存在疑虑。然而，这些发现可能会显著影响承包商开展的环境研究策略和范围，以证明开始采矿操作的合理性。 沃尔沃、大众、宝马、谷歌、巴塔哥尼亚、飞利浦、三星SDI以及斯堪尼亚等公司表示，他们将在“全面理解环境风险”之前，不使用深海开采的金属。相比之下，特斯拉的股东们投票反对暂停从深海采矿中获取矿物的做法。 因此，海底开采具有变革资源开采潜力的可能，但严格的监管对于防止无序开发至关重要。为了使海底开采成为被广泛接受的主流行业，必须强调生态系统伦理管理，所有操作中都应包括受控采矿技术、沉积物扰动减缓和栖息地恢复。 监管框架和治理 海底采矿的调节框架正在不断发展 在《联合国海洋法公约》(UNCLOS)下建立的国际海底管理局（ISA）是监督国际水域海底采矿活动的主要机构。为了确保可持续实践，采矿公司被要求遵循全球和地方法律法规。ISA在制定平衡资源开采与环境保护的监管框架方面发挥着关键作用，并作为利益相关方之间的中心接触点，汇集政府、行业、科学家、环境非政府组织及其他各方，共同参与