深海采矿是指在水深200米至6500米的海底开采矿物。为了获取这些金属资源，重量超过蓝鲸的巨型机器会在深海海底进行挖掘作业。随后，这些机器通过长达数公里的管道将开采出来的矿物材料泵送到作业船上。采矿过程中产生的沙子、海水和其他矿物废料则会被重新泵回海中。
深海采矿设备
（图片来源：文献6）
深海里的矿产资源
海洋中的矿产资源种类繁多且储量丰富，特别是深海区域蕴藏着大量的重要矿产资源，如多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等。
等等，结核？跟我们常说的结核病有关系吗？结壳又是什么呢？
1.多金属结核
多金属结核是一种在深海底部发现的矿物聚合体。结核通常呈现球形或椭球形，直径从几毫米到几厘米不等，有时甚至可以达到10厘米以上，有的大小像鸡蛋，有的像土豆。它们主要由锰、铁、镍、铜、钴等多种金属组成，此外还含有少量的稀土元素和贵金属。
结核的形成是一个缓慢的地质过程，通常需要数百万年的时间。其形成机制主要有两种，一是金属离子通过化学沉淀和氧化反应在海底逐渐积累，形成锰氧化物和铁氧化物，这些氧化物作为基质包裹其他金属元素，逐渐形成结核。另一种是靠微生物在海底沉积物中的活动，也可以促进金属元素的沉积和结核的形成。
深海锰结核
（图片来源：wikipedia）
多金属结核主要分布在太平洋、印度洋和大西洋的深海底部，尤其是在太平洋的克拉里昂-克里珀顿区（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）。这些结核富含锰、镍、铜和钴等金属，估计该区域的多金属结核资源量可达数十亿吨。根据国际海底管理局的数据，仅克拉里昂-克里珀顿区的资源量就可能满足全球数百年的金属需求。
2.结壳
结壳是在海底硬基岩上形成的一层富含金属的矿物壳层。结壳的厚度通常为几毫米到几厘米，主要由锰、铁、钴、镍、铜和稀土元素等组成。
结壳主要是通过化学沉积过程形成的，其中金属元素从海水中沉淀并在基岩表面逐渐积累。这一过程受到多种因素的影响，包括海水的化学成分、温度、压力以及海流等。结壳的形成速度极慢，通常需要数百万年的时间才能形成几毫米的厚度。
蒙特利湾水族馆研究所(MBARI)收集的玄武岩基底上的锰铁结壳
（图片来源：文献3）
钴结壳主要分布在太平洋的海山和大洋中脊地区，富含钴、钛、镍、铂和稀土元素。特别是在太平洋中部的海山上，钴结壳的资源量巨大。根据估算，全球海底钴结壳资源量可达数亿吨，足以供应全球对钴和其他关键金属的长期需求。
3.多金属硫化物
多金属硫化物又称海底热液硫化物，是一种在深海热液喷口区域形成的矿物聚合体，尤其是在中大西洋洋脊和太平洋的东太平洋海隆等地区。它们富含多种有价值的金属元素，如铜、锌、铅、金、银，以及其他稀有金属。
海底块状硫化物
（图片来源：参考文献4）
多金属硫化物主要形成于深海热液喷口区域。这些喷口常见于大洋中脊和海底火山活动区域。这些矿床富含铜、锌、铅、金、银和其他稀有金属。海底的多金属硫化物矿床中含有的金属比例较高，开采价值更大。海底热液喷口区域的多金属硫化物资源量预计有数亿吨。
为什么要在深海采矿？
深海采矿是一种获取海底矿产资源的新兴方式，具有重要的经济和战略意义。深海蕴藏着丰富的矿产资源，这些资源中富含的关键金属对现代工业、电子产品和电池制造至关重要。陆地矿产资源会逐渐枯竭，开发深海资源成为满足未来需求的重要途径。
随着海洋技术的进步，深海采矿逐渐变得可行。先进的水下机器人、深海勘探设备和海底采矿技术，使得在极端环境下进行资源开采成为可能。尽管前期投资较高，但深海矿产资源的开采可以带来可观的经济回报，并推动相关技术和产业的发展，进而带动经济增长。此外，掌握深海采矿技术对国家而言具有重要的战略意义，有助于保障国家资源安全，并提升国际竞争力。
目前，深海采矿在国际上面临三大技术难题：第一，矿区海底地形异常复杂，导致装备的安全行进困难重重；第二，深海矿产的赋存形式与物理特性复杂多样，使得高效开采和收集面临巨大挑战；第三，深海重载作业装备在海上风浪条件下的安全布放和回收难度较大。
「开拓二号」创我国深海采矿多项纪录
由上海交通大学自主研制的深海重载作业采矿车工程样机「开拓二号」，在完成深海试验航次后，搭乘「向阳红03」号科考船顺利返回厦门，海试取得了圆满成功。
深海采矿机器「开拓二号」
（图片来源：上海交通大学）
此次海试中，「开拓二号」共进行了5次探采作业，创下了我国深海采矿领域的6项新纪录，技术性能达到国内领先、国际先进水平。
「开拓二号」在海底多金属结壳与结核矿区，成功完成了5次连续下潜，其中1次达到了4000米级深度，其余4次在2000米级深度进行。具体深度分别为1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米，这是我国深海重载作业采矿车首次在4000米左右深度的海底开展深海矿产资源试开采试验。
开拓二号采集的矿石
（图片来源：上海交通大学）
这一次的深海采矿技术取得重大突破，成功获取大量多金属结壳和多金属结核等深海矿产样品。此外，首创的深海复杂海底地形高机动行进技术和多矿类复合钻采技术，即使在陡峭海山和稀软沉积物等复杂地形中，也能安全稳定行进、高效开采多种矿石。同时，智能精细控制技术和非金属缆深海重载布放回收技术，确保了深水作业的精确定位和安全回收。
这些技术的突破标志着中国在深海采矿技术上的领先地位，并为未来的资源开发提供了有力保障。这一成就不仅展示了中国在深海采矿领域的技术实力，还为未来深海矿产资源的开发奠定了坚实基础。
结语
深海采矿作为未来资源开发的重要方向，展现出巨大的潜力和前景。随着技术的不断进步和对陆地资源需求的增加，深海区域的矿物资源逐渐引起人们的关注。深海采矿不仅可以提供丰富的金属矿物，还能缓解陆地资源的枯竭压力，推动新能源产业的发展。
然而，深海采矿也面临诸多挑战。未来，通过多方协作和创新科技，深海采矿有望在保证生态平衡的前提下，成为全球资源供应的重要补充。我们期待着深海采矿技术的成熟和应用，为人类社会的可持续发展开辟新的路径。
参考文献：
1. Du K, Xi W, Huang S, et al. Deep-sea Mineral Resource Mining: A Historical Review, Developmental Progress, and Insights[J]. Mining, Metallurgy & Exploration, 2024, 41(1): 173-192.
-
van Putten E I, Aswani S, Boonstra W J, et al. History matters: societal acceptance of deep-sea mining and incipient conflicts in Papua New Guinea[J]. Maritime Studies, 2023, 22(3): 32.
-
MINERALS, DEEP SEA. "Cobalt-rich Ferromanganese Crusts."
-
Deep Sea Minerals: Cobalt-rich Ferromanganese Crusts, a physical, biological, environmental, and technical review Archived 2021-09-06 at the Wayback Machine. Baker, E. and Beaudoin, Y. (Eds.) Vol. 1C, Secretariat of the Pacific Community
-
杨震,刘丹.中国国际海底区域开发的现状、特征与未来战略构想[J].东北亚论坛,2019,28(03):114-126+128.
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Sharma, Rahul, ed. Deep-sea mining: Resource potential, technical and environmental considerations . Springer, 2017.
出品：科普中国
作者：Denovo团队
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