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海洋奇妙物语丨深海“杨梅”:不能吃,但能“开车”!

2022/03/18点击次数:

70.8海洋媒体实验室

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70.8 海洋奇妙物语


海洋代言人带你

探索占地表70.8%的海洋


本期作者

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何诗凡

中国地质大学(北京)2018级本科生,海洋科学专业


近年来,“绿牌车”逐渐走进了人们的生活。电力,这种更清洁、低碳、环保的驱动方式,得到了大众的青睐。与此同时,被誉为“电动车心脏”的动力电池也备受瞩目。

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电动汽车与电池(图源:Deep Green公司官网)


动力电池占到整辆电动汽车将近一半的成本,因为制造电池需要消耗大量的金属,包括锂、锰、钴、铜、镍等。据嘉能可(Glencore)矿业公司统计,2050年钴和镍的需求量将暴增至现在的四倍,而铜和锌的需求量也将翻倍。

然而,陆地上的金属资源储量已无法满足人类的巨大需求。以钴金属为例,陆地上的钴资源储量仅占全球总储量的17%,而大洋多金属结核中的钴储量几乎占据了全球钴资源的半壁江山。

如何突破金属资源短缺的瓶颈?人类将矿产开发的目光投向了深海。

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海底主要金属矿产分布(图源:世界银行)



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岩石中的“电池”

分布于海底的多金属结核被誉为“岩石中的电池”,其中贮存的铜、锰、镍、钴等金属元素以及稀土元素不仅是制造电池的原材料,还是电子技术、新能源开发等高新技术产业的必需品。全世界大洋底多金属结核储量约3万亿吨,仅太平洋就有1.7万亿吨,其中约有700亿吨具有工业开采价值,结核中的铜、锰、镍、钴等金属资源储量比陆地上高出几十到几千倍。除此之外,结核矿还以每年约1000万吨的速度增长,源源不断地供应金属资源[3],[7]

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多金属结核中所含金属的应用(图源:金属百科)

相较于陆地采矿,从深海获取制造电池所需的金属,也将极大降低矿产开采产生的环境代价。据评估,从海底采集多金属结核产生的二氧化碳与陆地采矿相比减少了75%,而且采矿过程中几乎不产生固体废物,也不会占用土地和森林资源。

多金属结核究竟是“何方神圣”呢?说起它的“长相”,你或许会觉得并不陌生。


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不能吃的深海“杨梅”

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分布在海底的多金属结核(图源:Deep Green)

假如你在杨梅季节见到了多金属结核,可千万要抑制住想咬一口的冲动!同水果杨梅一样,多金属结核也有着黑色的外观,由“果核”和“果肉”组成,可谓是“深海中的杨梅”。

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多金属结核的结构

结核核心是结核生长的起点,其来源多样,最常见的有生物、岩石、矿物、陨石这几类。金属离子和胶体围绕着核心沉淀、聚集,便形成了一圈圈壳层。

如同果肉贮存着水果的营养与滋味,结核的壳层也是其精华所在。壳层主要由锰矿物(锰的氧化物和氢氧化物)、铁矿物(铁的氧化物和氢氧化物)和硅酸盐矿物组成,铁、锰等金属资源富集于此。


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“杨梅采摘园”在哪里?

多金属结核主要分布于3000米~5000米水深的海底,各大洋中都能找到它的身影,太平洋中的储量最为丰富。

在夏威夷和墨西哥之间,有一个广阔的深海平原,这里是全球最大的多金属结核产出区——克拉里昂-克利伯顿断裂带海区(CC区),数万亿个拳头大小的多金属结核中蕴藏着世界上已知最大的镍、钴和锰矿藏。目前,CC区的多金属结核勘探合同区占地120万平方公里,据估计,其中贮存的金属足以为全球的所有电动汽车提供电力。

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CC区多金属结核勘探合同区

和国际海底管理局保留区位置图(图源:ISA)

认识到多金属结核潜在的经济价值后,人类自然不会无视它的存在。20世纪60年代,美国、前苏联、德国等国率先掀起了多金属结核“调查热”。随着深海技术的发展,深海采矿可行性变高,各国也逐渐转变为“开发热”。


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深海“杨梅”怎么采?

“工欲善其事,必先利其器”,目前国际上主流的采矿系统是液压汲取式开采系统

这种开采系统主要由采矿船、提升系统、采集头三个部分构成。如果把多金属结核想象成奶茶里的珍珠,由水泵和管道组成的提升系统就像是喝奶茶的吸管,采矿装置中的采集头收集并“吸入”多金属结核,统一送进“吸管”里,而以采矿船则负责为水下作业的设备提供动力。

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液压汲取式开采系统(右,图源:中国科普博览)

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多金属结核开采(图源:Deep Green)

我国对多金属结核的调查起步较晚,但吸取了前人的经验教训,发展迅速。作为第一批大洋矿产的先驱投资国,我国至今已获批两块多金属结核勘探合同区。

在享受深海矿产优先开发权的同时,我国也履行着保护深海环境的义务,积极开展矿区环境基线调查,致力于研发高精度、低扰动的采矿装置,以期推动深海采矿的可持续发展。

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中国大洋协会发起的“基线及其自然变化计划”(图源:新浪网)

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“鲲龙500”海底集矿车(图源:中国大洋协会)

深海“杨梅”能够驱动的不仅是电动汽车,更是一个国家的资源储备和工业发展。期待未来,深海矿产的开发利用在方便人类生产生活的同时,也能让经济发展的快车跑得更远。

参考资料

[1]https://www.163.com/dy/article/G3MHQ7GB05198NMR.html

[2]上海有色网:电动汽车工业刺激锰需求增加 预计至2030年全球需求将增长10倍 https://news.smm.cn/news/101422594

[3]于淼,邓希光,姚会强,刘永刚.世界海底多金属结核调查与研究进展[J].中国地质,2018,45(01):29-38.

[4] 李日辉.大洋多金属结核成因研究的进展[J].海洋地质动态,1998(09):1-4.

[5]https://metals.co/nodules/

[6]https://www.360kuai.com/pc/9b4a28c4680b45036?cota=3&kuai_so=1&sign=360_57c3bbd1&refer_scene=so_1

[7]Yves Fouquet,Denis Lacroix.Deep Marine Mineral Resources[M].Springer, Dordrecht:2014-01-01.

[8]张农,冯晓巍,庞华东等.深海采矿的环境影响与技术展望[J].矿业工程研究,2019, 34(2):22-28.

[9]杨建民,刘磊,吕海宁等.我国深海矿产资源开发装备研发现状与展望[J].中国工程科学, 2020,22(6):1-9.

[10]高岩,孙栋,黄浩,等.国际海底区域矿产资源相关环境问题与管理进展[J].中国有色金属学报,2021,31(10):2722−2737

[11] 石学法,符亚洲,李兵,黄牧,任向文,刘季花,于淼,李传顺.我国深海矿产研究:进展与发现(2011—2020)[J].矿物岩石地球化学通报,2021,40(02):305-318+517.




科学指导:简星

撰稿/排版:何诗凡

编辑:赖滢/李依睿/刘思琦

责编:甘少敏

出品:70.8海洋媒体实验室


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