機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

標籤:骨科作者:施普林格自然OA2019-10-04 22:48:00

原文以Seabed mining is coming — bringing mineral riches and fears of epic extinctions為標題釋出在Nature期刊

原文作者:Olive Heffernan

目前已經有一些旨在採集海底珍貴礦石的計劃在推,但科學家們認為那些公司還沒有進行充分的試驗來避免對環境造成毀滅性打擊。

1972年,年輕的生態學家Hjalmar Thiel來到了太平洋的一片偏遠海域——克拉里昂-克里帕頓斷裂帶(Clarion-Clipperton Zone, CCZ)這裡擁有世界上最大的尚未開採的稀土金屬礦藏之一。海面往下4000米左右,CCZ的深海底泥中有著數以萬億計的多金屬結核,它們是馬鈴薯大小的沉積物,飽含銅、鎳、錳和其它珍貴的礦物。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

太平洋一座海底山上生活的幽靈般的海綿,這裡已經被計劃從事海底採礦的公司列為目標之一。

Thiel感興趣的是這個區域幾乎未被研究過的小型底棲生物——生活在礦物結核之上和礦物結核之間的微小動物。他的旅伴都是打算開礦的人,迫切想要從富饒的礦藏中撈一把。“我們吵了很多架。”他說。在另一次旅程中,Thiel探訪了紅海,和他同行的未來採礦者也急著想要從那裡富含金屬的底泥中提取值錢的礦物。有一次,他警告他們,如果他們按照計劃採礦,把廢料汙泥潑在海面上,很可能會讓小型浮游生物無法呼吸。“他們差點把我淹死在海里。”Thiel回憶起他的旅伴們時說。

在後來的對峙中,當時還在德國漢堡大學工作的Thiel質問工業界計劃如何測試海底採礦的環境影響。人們不耐煩地建議他自己做測試。於是從1989年開始,他真的做了。

三十年後,Thiel和一位同事籌建的試驗仍然是有史以來關於商業性深海採礦潛在影響的最大規模的試驗。這個簡單的試驗被命名為“DISCOL”,主要過程是用一個八米寬的“犁耙”從太平洋底一塊11平方公里的試驗場中心刮過。這個模擬採礦過程導致一大股沉積物被攪動起來,它們落下來覆蓋了試驗場的大部分割槽域,讓海底的生物都喘不過氣來。這個試驗表明海底採礦的影響比任何人預想的都更深遠,但它實際上並沒有提取任何礦石,而礦石移除會損害更多海洋生物。

已經有很多人嘗試過改進DISCOL的基礎試驗手段,但還沒有成功案例,大部分是因為技術上或財力上的障礙。最近的一個採礦試驗,今年四月打算在CCZ測試一種礦核採集機器人,由於技術故障在最後關頭被取消了。這個試驗由比利時公司Global Sea Mineral Resources設計,本可以幫助科學家們更好地研究一個25噸拖拉機拖過海底進行採礦作業的影響。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

克拉里昂-克里帕頓斷裂帶(CCZ)海底遍佈著錳結核。

“這絕對是一個很大的挫折,因為要開始觀察這些大型重型機械在海洋環境中的作用,這幾乎是唯一的機會。”Kristina Gjerde說,她是國際自然保護聯盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)的公海政策顧問。

深海採礦的發展過程充滿了坎坷,自從將近半個世紀前狂熱的工業界人士證明了從海底提取稀有金屬和礦物在技術上可行以來,一直就是如此。公司和國家經常宣稱它們很快就將從深海獲取貴重的礦石,但商業性的活動一直由於種種原因未能開展——尤其是鉅額的前期投入、處於歷史低點的深海礦石價格以及缺位的法律法規,這些都使投資者有所擔憂。

“技術是有的,是財力和法規監管方面的不確定性使這個行業止步不前。”Govinder Singh Chopra說,他是新加坡的深海採礦支援船設計公司SeaTech的創始人。

如今,這個方興未艾的行業似乎終於迎來了突破期。電動汽車和風能太陽能儲存使電池的需求量日益增長,拉高了許多稀土金屬的價格,也有力支撐了海底採礦的商業意義。更重要的是,業界期待已久的法規將在2020年以採礦條例的方式定稿,條例中會規定一個流程,使工程隊能夠申請30年的開採執照,在像CCZ一樣的國際海域指定的“認領區”開礦。開礦者已經在這些認領區進行勘探了,但是在法規實施之前,任何商業開採活動都不能啟動。該行業的投資正在增長。

6月,位於加拿大溫哥華的初創公司DeepGreen宣佈,他們將籌款1.5億美元,開始勘探太平洋部分海域的礦產寶藏——這是一個行業信心增長的標誌。

但是,科學家和環保人士擔憂,法規的推出會鼓勵工業界過早開始採礦,而目前還沒有足夠的知識來避免採礦機造成嚴重的環境破壞。現有的少量資料表明,深海採礦會對海洋生物產生毀滅性且可能不可逆的影響。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

從CCZ深海海底捕集的深海生物。從左上角起順時針方向:一種被叫做“松鼠橡皮糖”的長尾蝶參(Psychropotes longicauda)、一個海膽和另外兩種海蔘。

自從DISCOL試驗結束後,科學家們已經回訪了試驗點四次,最近一次是在2015年。試驗點始終沒有恢復過來。被犁過的區域看起來和30年前一樣顯眼,像海綿、軟珊瑚、海葵之類的標誌性動物仍沒有重現。“破程度之大,影響持續時間之長,遠遠超出我們的想象。”Thiel說。

寂靜之地

深海——一般指海面200米以下的疆域——是一個充滿極限的世界。很多地方的海底,溫度在0°C左右徘徊,幾乎沒有光,而壓強可以超過1000巴,相當於一對大象站在你的大腳趾上。但這裡仍然有生生不息的生命。深海中有多種多樣的生態系統,而研究人員才剛剛開始瞭解它們。

開礦者們為了探尋潛在的採礦點,主要關注三種環境像CCZ一樣的深海平原上散佈著金屬結核,它們是百萬年間金屬緩慢地沉積在魚類牙齒、骨頭和其它小型物體周圍而形成的。這是地球上最安靜、最偏遠的生態系統之一,細小的泥沙顆粒緩緩落下,一千年才積累大約一釐米。在那低能量值的環境中,生活著多毛綱蟲類、甲殼類、海綿、海蔘、海星、蛇尾、海膽以及多種深海魚類,當然還有無數微生物和埋藏在泥沙裡的微小生物。

另一種礦藏是海底山上金屬含量很高的外殼,它們比海底平原高几千米。這一層外殼富含高價的金屬,比如鈷、鉑和鉬。海山上的主要生物有珊瑚、海綿和其它一些濾食動物,以及鮪魚鯊魚、海豚和海龜。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

南印度洋大洋中脊附近的深海生物。從左上角起順時針方向:海葵、蛇尾、棘柳珊瑚和石筆海膽。

第三種受到關注的礦藏是大量的硫化物,富含銅、鉛、鋅、金和銀。這些礦石在溫度極高的熱泉周圍形成,沿著海底的火山山脊分佈。這些深海熱泉為一些生物提供了生存環境,比如體型不大、盲眼的基瓦多毛怪(也叫雪人蟹,Kiwa tyleri),它們長著極有特點的金色毛髮;還有鱗腳螺(Chrysomallon squamiferum),它們柔軟的身體上披著“鐵甲”,是因為採礦威脅而被列入瀕危物種的第一種深海生物。

多年來,一般認為最早進行礦業開發的深海環境將是巴布亞紐幾內亞領海的深海熱泉。來自加拿大多倫多的Nautilus Minerals公司原本在推進該專案,但由於財務困難和當地人的反對不得不擱置。這使得CCZ成為了最有可能首當其衝的深海礦場。據估算,這裡的礦物結核所含的鈷、錳和鎳比陸地上已知礦藏的總和還多(見下圖)。CCZ從夏威夷一直延伸到下加利福尼亞半島,寬度和美國本土相當。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

一些公司正在穩步推進開採CCZ中礦產的計劃。國際海底管理局(International Seabed Authority, ISA)是聯合國為了推動和監管海底採礦而設立的組織,包括168個成員國。在過去十年間,國際海底管理局已經向各國政府支援的承包商頒發了29個勘探執照,允許它們在許多深海區域尋找礦物;其中16個執照面向CCZ,覆蓋了CCZ總面積的20%左右。

自從1972年Thiel初探這個海域,科學家們已經對它進行了更為細緻的研究。來自夏威夷大學(火奴魯魯)的深海生物學家Craig Smith已經研究CCZ的生物群落30年了,他採集到了海蔘、海膽、軟珊瑚、海星、海葵、蠕蟲和許多其它生物。他的團隊採集到的大約90%物種都是科學界未知或從未描述過的。其中一些稀有物種在其它深海區域也從未被發現過。Smith認為,即使到現在,科學家們也只採樣調查了CCZ 0.01%的面積。

在一塊被英國認領的5.5萬平方公里的海域,Smith和同事們出乎意料地收集到了1000多種動物,他們估計這還不到該區域實際物種數量的一半。“這還沒有算進微生物,它們有十萬多不同的種。”Smith說。“我們認為CCZ有幾千種特有的物種,”他說,“我已經研究這裡的生物多樣性有幾十年了,但瞭解的還很少。”有些物種的分佈範圍可能很小,所以如果它們在本地被消滅,就等於在全球範圍內滅絕了。

資料鴻溝

深海採礦會對一些物種造成威脅,不過也喚起了人們對海底生物多樣性的關注。法律規定,採礦者必須先評估他們認領的區域內有哪些生物。Smith和其他許多深海生物學家會開展生態學調查來幫助承包商確定一個參考基線。然後,準備採礦的人可以進行一些測試來弄清楚他們的裝置會對作業環境造成什麼樣的影響。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

南印度洋一處深海熱泉的一隻盲眼基瓦多毛怪(Kiwa tyleri)。

這些研究的目的是幫助採礦者和國際海底管理局降低礦業的潛在危害,制定環境管理計劃。但很多研究人員表示,這個體系在現實中運轉得並不好,一部分是因為對基線資料的要求很低。

這些資料以往都是保密的,但將變成公開資料。“這將是個水落石出的時刻,我們將第一次能看到承包商所掌握資料的數量和質量。我的猜測是,很多承包商並沒有做到對我們來說稱得上完備的基線評估。”Daniel Jones說道,他是英國南安普頓的國家海洋中心的深海生態學家。

研究人員的另一個擔憂是,目前並沒有要求在商業採礦開始之前,測試那些巨型採礦機的環境影響。1970年至今,礦物結核採集方面只進行過12次小規模的試驗,大部分都是使用約2.5米寬的機械來攪動海底。這些試驗中,DISCOL被認為是最先進的,主要因為使用的犁更寬,覆蓋區域更大,資料的時間跨度更長。“所有這些研究都有缺陷,DISCOL也不完美,但我們只能這樣了。”Jones說。

很多科學家和環保人士認為,問題的根源在於國際海底管理局(ISA)有著雙面職能。1994年聯合國建立ISA之初,它被指派了兩項任務:一是保護國際海床不受嚴重破壞,二是開發其中的資源,造福人類。(在各國領海,每個國家可以制定自己在海底採礦方面的法規,但它們必須至少和ISA明年即將頒佈的法規一樣嚴格。)ISA“屬於監守自盜”,Hannah Lily說。她是倫敦皮尤慈善信託基金會(Pew Charitable Trusts)的海事律師,但她所說的並不代表皮尤的機構觀點。

ISA已經對一些擔憂做出了迴應。例如宣告“ISA極其重要的一項任務就是保證監管下的活動都有適當的環境評估和安全保障”。

ISA也表示,“所有決議都是168個成員國的合議,每國一票。”迄今為止,成員們只批准了勘探類的活動。

比利時承包商Global Sea Mineral Resources對採礦者和ISA的工作推進情況表示了支援,並且表明ISA一直在積極設計環境管理方案,包括劃出了九個格外需要環境保護的區域。這樣劃分的意圖在於使這些區域(佔CCZ 30%左右)不受採礦侵擾,保護生物多樣性。

泥中窒息

如果真的要在CCZ採礦,最早也要將近十年之後。Global Sea Mineral Resources的目標是到2027年建成第一個商業深海礦場。它真正啟動時,海底會出現類似這樣的場景:像聯合收割機一樣大的機器緩緩爬行,在收集金屬結核的過程中吸入表層10釐米左右的柔軟泥沙。科學家們表示,由於結核生長極其緩慢,開採幾乎意味著使它們永久從海底消失。

金屬結核對於CCZ的很多生物來說是不可替代的棲息地。“對附近生活的大部分動物來說,採礦是致命性的。這會消滅大部分大型動物和附著在結核上的所有生物。我覺得這是非常確定的。”Henko de Stigter說,他是荷蘭皇家海洋研究所(Royal Netherlands Institute for Sea Research)的海洋系統科學家,很多研究人員都認同他的這個評估。

但在CCZ採礦的影響不僅僅是會殺死金屬結核周圍的生態系統。採礦機在海底移動時,會攪動起大片雲霧般的泥沙,這些泥沙散佈開,可能要到幾萬公里以外才能完全沉降下來。泥沙密佈的地方,海底的動物可能會被埋住而窒息。究竟泥沙能散佈多遠還是個未知數。“我們剛剛開始看到泥沙流能走多遠,至於它們的後果還遠沒有了解。”de Stigter說。8月,他將在地中海的淺水中測試一種金屬結核採礦機的樣機。

科學家們也在開展實驗室計算機模擬來評估被擾動的泥沙的影響。一月份發表的一個計算機模擬試驗顯示,泥沙沉降所需時間可能達當前估算值的十倍,這意味著它們很可能在水中播散到更遠的地方。有些研究者認為,即使採礦操作只攪起微量泥沙,也可能使遠處的海底生物窒息。

在CCZ,金屬結核被採礦機收集之後,就會通過幾公里長的管道輸送到海面上的作業船,在那裡每天將分揀出數百萬結核,再把廢棄的泥沙送回海里,又造成一股泥漿。目前,關於廢棄物在哪裡處置還沒有明確的說法,部分原因是將泥沙輸送回海底十分昂貴,技術上也有難度。有一種提議是將泥漿注射到1000米的深度,但距離海底仍有幾千米。科學家們擔憂,像Thiel三十年前擔心過的一樣,這樣做會傷害甚至殺死中層水深的生物。

如果沒有更多關於深海生態環境的資訊,研究人員很難去定義潛在的風險。“什麼才算是嚴重的危害?當然有一些明確的紅線,但這個問題還是沒有確定的答案。”Gordon Paterson說,他是ISA的法律技術組(Legal and Technical Commission, LTC)的三位生態學家之一,這個技術組相當於一個科學顧問團。“我們知道全球性物種滅絕算是嚴重危害,我們也知道抑制碳封存是嚴重危害。科學家知道採礦會造成CCZ一些物種的區域性滅絕,但究竟是整個CCZ中滅絕,還是隻在採礦區?這都很複雜。”他說。

機械巨手伸向海底,科學家還來得及搶回海綿和它的朋友們嗎?

在北太平洋,遠端操控的機械臂抓起了一個金屬結核,上面長了一個深海生物。

如何開拓一個新行業

雖然資料匱乏,ISA仍在盡力明年完成法規的制定。7月,ISA委員會在牙買加金斯敦召開會議,研討採礦條例草案,涉及採礦業運轉的各個方面——環境、管理和財務等。ISA表示他們在制定條例的過程中聽取了科學家們的建議。“這是我們有史以來為一種工業生產活動所做的最多的準備了。”ISA的祕書長Micheal Lodge說,他認為採礦條例只是一個大致的導則,未來還有繼續完善深入的空間。

很多科學家也贊同這個說法。“這比起我們過去對待油氣開採、砍伐森林還有核廢料處置的方式,已經好太多了。”德國基爾亥姆霍茲海洋研究中心的生物地球化學家Matthias Haeckel說。

一些研究人員批評ISA只聽取了三位LTC生態學家的意見。但美國杜克大學的深海生物學家Cindy Van Dover說,ISA也從像她這樣的科學家那裡得到了免費的幫助。“在幕後還有很多科學知識提供給了ISA。”她說。

ISA遭遇的另一項指責是,它的決策過程並不公開透明;ISA法律技術組的會議都是閉門的,總結報告也缺乏細節,Gjerde和Jones評論道。很多人尤其不滿的是,在發放勘探執照的過程中沒有更多參考科學家的意見。例如去年,波蘭獲得了大西洋中脊一萬平方公里的勘探權。這片區域緊鄰“失落之城”(Lost City)——一處被聯合國教科文組織認定為世界遺產的獨特深海熱泉。科學家和環保人士都很反對這項決定。反對者包括蘇黎世聯邦理工學院的生物學家Gretchen Früh-Green,她是2000年發現“失落之城”的團隊的一員。

顯然,很多人希望採礦業在開始商業開採之前,能找到更好的評判深海採礦的環境危害的方法。“作為DISCOL的創造者,我認為我們需要更好的試驗。”Thiel說。但承包商認為開展實際規模的採礦試驗,成本昂貴,難以承受。

ISA認為繼續下一步行動是有好處的。“一旦開始採礦,你就有持續的監測,然後你就可以制定一些標準,而且等你對已有的活動監測形成一個反饋鏈條,你就可以逐步提高標準。”Lodge說。

不是所有人都相信這種“走一步看一步”的方法會奏效。“如果這個行業發展到一定程度,有人投資了,他們就會需要一定的保障說他們確實可以採礦。因此監測採礦試驗也改變不了太多。”Thiel說。Jones也贊同,“法規一旦落地就很難修正了,”他說,“那還需要那麼多國家一致通過,而他們並不經常會面。”

目前,ISA需要完成的一個艱鉅任務是使168個成員國在條例草案上達成共識,環保人士和科學家們希望這個條例能監督工業界對環境負責。在那之後,礦業公司要花上幾年的時間來籌措專案資金,建造和除錯裝置。鑑於這幾重阻礙,科學家們還有機會改進他們評估海底採礦的環境風險的方式。“你總不能把頭埋進沙子裡,”Van Dover說,“然後就指望問題自己消失不見。”

Nature

doi: 10.1038/d41586-019-02242-y

版權聲明:如涉及版權問題,請作者持權屬證明與本網聯系

健康網综合网讯2019-10-04 22:48:00