深海采矿环境研究的进展与展望

深海采矿环境研究的进展与展望

0开展质量立法保护和监督非对海洋环境的保护与管理20世纪70年代以来，随着深度多金属开采和开发活动的增多，深部采矿可能引起的环境问题也引起了国际社会的广泛关注。联合国成立了多个临时委员会和定期委员会，以研究和开发海洋资源的法律、经济、科学和技术。联合国《水生权利条约》等相关法律和法规先后通过。而在《联合国海洋法公约》框架基础上成立的国际海底管理局有责任和义务对国际海底资源及其环境保护进行管理和监督。为了保护和保全深海生物多样性和海洋自然环境,防止、减少和控制采矿活动对海洋环境的破坏、污染及危害,国际海底管理局、参与勘探和开发活动的国家和组织应合作建立和实施为监测和评价深海勘探活动对海洋生态环境影响的计划。为此,美国、德国、俄罗斯、法国、日本等国家和一些国际财团相继开展了一系列与深海采矿有关的环境研究。其中,比较有影响的有1975～1980年美国进行的深海采矿环境研究(DOMES)、1988～1993年德国在东南太平洋锰结核区进行的扰动和再迁入实验(DISCOL)及其1995～1998年的后续项目——东南太平洋深海生态系统中的底栖生物调查(ECOBENT)、1991～1998年美国、俄罗斯、日本、印度和“国际海洋金属联合组织”(“海金联”)等国家和组织合作进行的底层影响实验(BIE)。这些工作明显加深和丰富了人们对深海生态系统的认识,同时还影响“先驱投资者”对环境工作的部署以及国际海底管理局对有关环境管理法规的制定。本文对这些研究所取得的进展、成果及存在的问题进行了系统阐述和分析,并提出了未来几年的对策及主要发展趋势,以便对我国开展深海环境研究起借鉴和指导作用。1尔蒂地质的环境影响研究第一次海底采矿环境影响实验是在1970年7月进行的。美国深海投资财团和哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质所在离佛罗里达—佐治亚沿岸150km的北大西洋布莱克海底高原,在对气泵提升采矿系统实验的同时开展了环境影响研究,研究的主要焦点是底层沉积物在表层排放时所产生的表层羽状流及其由此带来的对营养盐生态的影响。此后,一些工业国家和国际财团都相继开展了一系列的环境影响实验研究项目。1.1浮游生物预测片研究百慕大海隆研究(美国,1972年):环境研究的主要目的是收集百慕大海隆锰结核矿区的物理、化学和生物基线资料及定量测定底栖生物量。这次研究也建立了一些有关在北太平洋采矿监测中使用的基本方法。使用箱式取样器和小的生物拖网成功地采集到一些底栖生物样品;获得约200张海底照片,用于对巨型底栖生物的分析。此外,还进行了浮游植物生产力和现存量的测定。连续链斗式(CLB)采矿实验研究(日本-美国-法国,1972年):在北太平洋采矿实验期间采集了水柱中的物理、化学和生物资料。此外,为了评价采矿前、采矿期间和采矿后的环境变化,使用深海照相机获得了采矿实验点在挖掘前、挖掘期间和挖掘后的底层巨型底栖生物照片。但CLB采矿实验本身持续的时间非常短,因而不能对潜在环境影响作出充分评价。克拉里昂-克里帕顿断裂带研究(德国,1972年):在地质航次调查期间,进行了环境基线研究。从箱式样品中采集了小型底栖生物子样。海洋生态系统分析(MESA)计划(美国,1976年):对火山喷发和浊流等自然灾害对底栖生物群落的影响和深海采矿的潜在影响进行了比较研究。认为采矿后可能会产生沉积物覆盖影响和从间隙水中迁入的痕量元素对水体会产生毒性危害,并建议对浊流引起的沉积物长距离扩散动力学进行进一步的研究。1.2对环境数据库的建立和完善,为研究实践提供依据该项目由美国国家海洋大气局负责实施(1975～1980年),包括两个阶段。第一阶段主要以靶区环境特征为研究目标,包括:(1)建立类似于矿区环境条件的3个代表区(DOMESA、B和C区)的物理、化学、生物和地质环境基线;(2)发展预测结核开采潜在环境影响的早期预警能力;(3)帮助工业部门和政府建立环境数据库,以制定有关环境影响评价指南。第二阶段主要是监测海洋管理公司(OMI)和海洋采矿协会(OMA)于1978年分别在DOMESA区和C区进行的两次实验性采矿实验的影响,其目的有两个:一是观察深海采矿期间所产生的环境影响,以提高在DOMESI阶段所发展起来的环境影响预测能力;二是继续发展和完善数据库,为最终环境指南的制定提供依据。该项研究取得了如下成果:(1)建立了“克拉里昂-克里帕顿断裂带”(“CC区”)A、B和C三个区的环境基线;(2)提供采矿前的可能环境影响预测报告,为依据美国法律进行的实验性采矿的环境监测计划的设计提供依据;(3)对商业采矿可能产生的短期环境效应作出了合理的预测;(4)建立了相关数据库,并据此对某些长期效应进行了评估。OMI和OMA两次实验因各种原因而断断续续,实际时间总共只有5d。最长一次连续不间断开采的时间仅为54h。开采的规模约为商业开采的1/19。由于实验规模比较小,持续时间又短,不足以推断商业规模采矿作业的全部影响效应。1.3沉积物覆盖对大型底栖动物的影响回声-I考察(美国,1983年):1983年,斯克里普斯海洋研究所的MELVILLE考察船重访OMA1978年的实验性采矿区,用面积为0.25m2的箱式取样器在实验性采矿轨迹内、轨迹附近和没有受采矿实验影响的远处参照区采集泥样,分析大型和小型底栖动物,研究在实验性采矿5a后这些区域的底栖动物有无显著的变化。结果表明:采矿轨迹和参照区之间的底栖动物没有明显不同。但这一结果是没有说服力的,其原因主要是由于采矿实验的时间和规模有限,而且箱式取样器无法精确地在宽仅为2m的采矿轨迹内或附近采样。现场死亡实验(美国,1987年):该项实验是由水下遥控器在圣加德林纳海盆1250m深处进行的,结果表明:1cm厚的沉积物覆盖对大型底栖动物不会产生严重的影响。QUAGMIREⅡ考察(美国,1990年):该项目原计划用改进的水下遥控器在OMA1978年的采矿轨迹内进行精确取样,继续对在回声-I考察期间所进行的采矿轨迹内底栖生物进行再迁入研究。但由于水下遥控器的控制经常出现问题,航次的主要目标没有实现。1.4扰动实验和实验设计自1991年起,多个国家和国际组织采用相同的扰动器陆续进行了被称为“底层影响实验”(BIE)的一系列实验。实验的目的在于通过人工扰动海底表层沉积物来研究沉积物的再沉积及其与周围海水混合和在离海底5m高处的排放效应。美国的BIE:是美国国家海洋大气局与俄罗斯“Yuzhmorgeologia”的科学家们合作进行的,前两次分别是在1991年和1992年用美国国家海洋大气局制造的第一代深海沉积物再悬浮系统进行实验,但沉积物再沉积的效果不太令人满意。因此,在1993年制造了第二代深海沉积物再悬浮系统,并用该装置进行了新的扰动实验。在扰动实验前,先进行基线调查,扰动后立即进行取样,此后,在1994年(扰动实验约10个月后)在扰动区重复取样,监测扰动对环境的影响。小型底栖生物分析表明:扰动发生9个月后,一些种类(尤其是线虫)数量显著下降,而大型底栖生物种类多样性却未因沉积物的再沉积作用受到影响。俄罗斯的BIE:始于1993年,与美国国家海洋大气局合作进行,实验区位于俄罗斯开辟区附近,其实验方法与美国的BIE相同,实验分三个阶段进行:第一阶段为基线调查;第二阶段为扰动实验;第三阶段在扰动后的不同时间内取样,监测扰动对环境的影响。此外,“海金联”(1994～1997年)、日本(1993年参加了美、俄的BIE,并于1994～1996年在日本开辟区进行BIE,又称JET)和印度(1995～2002年)也用与美国和俄罗斯相同的扰动器和相似的方法分别在各自的开辟区内开展了BIE。1.5人为扰动采样德国在1988～1993年开展了大尺度深海环境影响研究——DISCOL,实验区位于东南太平洋秘鲁海盆,面积为10.8km2的圆形海底,实验分三个阶段进行:第一个阶段(1989年2～3月)先进行基线调查,然后由特殊设计的犁耙系统对实验区进行人为扰动,用该装置在海底拖曳,穿过圆形实验区达78次,扰动的沉积物深度至少达10～15cm,并在扰动结束后立即进行第一次扰动后采样;第二阶段(1989年9月)在扰动半年后进行第二次扰动后采样;第三个阶段(1992年2月)在扰动3年后进行第三次扰动后采样,获得了有关巨型、大型、小型底栖生物丰度、细菌生物量和生物活动等方面的资料。其目的是通过大尺度的实验,包括对广阔海底区的扰动,监测海底受人为严重扰动后的几年时间内底栖生物的再迁入和底栖生物群落重建的速率。1995～1998年德国又开展了“东南太平洋深海生态系统中的底栖生物调查(ECOBENT)”,此项目是DISCOL的延续,在扰动影响7年后(1996年)重访DISCOL实验区,继续对底栖生物再迁入情况进行监测。1.6自然变化特性至今一些国家和国际组织所进行的环境影响实验结果不尽一致,甚至互相矛盾。笔者认为除了实验设备和方法不同可能对深海环境造成不同的影响外,基线本身所具有的自然变化特性是另一个更重要的原因。为此,中国大洋协会决定暂不进行类似于其他国家的环境影响实验,而于1996年提出了“基线及其自然变化(NaVaBa)”计划,目的是收集不同年份相同季节的生物、化学、水文和地质资料,评价环境基线的自然变化程度,在1997～1999年相同季节,通过对中国合同区的生物、化学、水文和地质环境的调查,对生态环境的空间和时间自然变化进行了研究,取得了一系列重要成果。1.7环境基线的建立KODOS始于1995年,项目的目标是:(1)建立水柱和底层生态系统的环境基线;(2)评价人为扰动对底层环境的影响,并为将来采矿系统设计提供一些基础资料。但至今该项目还集中在一般的基线研究上。2关于深水采矿环境的研究2.1商业采矿的影响现有深海采矿环境影响研究基本上可以分为两类:一类是实验性采矿的影响研究;另一类是模拟深海采矿的影响研究。就前者来说,其采矿的最大规模只有商业采矿的1/19左右,而且采矿实验是断断续续进行的,最长一次的实验时间也只有54h。因此,这些实验结果只对环境造成短期的、小范围的影响。而有些影响在实验性采矿期间表现很不明显,但在大规模商业开采期间,它们可能会变得突出起来。如:浮游动物和仔鱼由于长期摄食含有大量低营养价值的悬浮颗粒物质,可能会使它们的营养不良,死亡率有所增加,生理活动削弱(生长减慢、群落补充速率降低等)。此外,各种复杂生态学过程的相互作用效应也要较长时间才能显示出来。因此,这些结果还不足以阐明采矿的长期效应、各种复杂生态学过程的相互作用效应和尾矿物质沿密度跃层的扩散与累积等一系列问题,将它们外推时需特别谨慎。就后者来说,仅仅是模拟深海采矿,与商业采矿有本质的区别。无论是BIE使用的“深海沉积物再悬浮系统(DSSRS)”,还是DISCOL使用的“犁耙系统”,它们只是将表层沉积物扬起后再沉积,或将上层的结核和沉积物翻到下层、推向轨迹的两侧,这比实际采矿时对海底的扰动要轻得多。在商业采矿时集矿机将绝大部分的结核吸走,同时还将大量表层沉积物吸入集矿机,杀死其中的生物后,再排出形成底层沉积物羽流。因此,可以预见,商业开采后底栖生物群落尤其是硬相底栖生物群落的再生与恢复的时间将会更长。2.2环境基线的划分和划分所谓基线是指在没有人为影响时,环境参数本身的自然波动,它不是一条直线,而是一个变化的范围。但是,在现有深海采矿环境影响的研究中,都是将根据一次调查所得的资料作为划分环境基线的依据,这是不科学的。事实上,即使在深海,基线也是随时间和空间的变化而变化的,NaVaBa计划所取得的初步成果业已证明了这一点11。因此,为了准确评价非自然扰动对生态系统的影响,必须开展基线时空自然变化的调查和研究,阐明基线自然变化的范围。这将有助于区别自然变化和非自然扰动对海洋生态系统的影响。3开展国际合作尽管已进行了大量关于深海采矿环境影响的研究,但目前人们对深海生态学的了解还十分有限,不能对深海大尺度商业采矿的环境风险作出结论性的评价。为了确定深海采矿潜在环境影响的程度,还需要进行更多的基础研究、进一步的实验和更大规模商业开采的现场监测。在未来几年,国际合作将是必然的趋势。一方面,由于深海采矿环境影响具有跨地区的性质,一些科学问题的解答需要国际合作;另一方面,深海采矿对环境的影响在不同矿区应该是相似的,各先驱投资国没有必要开展重复性的工作,因此国际合作既可满足科学的需求,又符合各方的经济利益。合作将以各先驱投资国和国际海底管理局经费分担(同时可争取全球环境基金的资助)和成果共享的方式进行。合作的领域将包括下列几个方面。3.1法律法规和基准3.1.1制定海洋开采环境评价指南建立各方公认的深海采矿环境影响评价指南,为“区域”内资源勘探和开采的环境影响评价提供依据。3.1.2国际生物约束对结构设计的影响包括研究方法、技术和深海生物分类系统的标准化和一致性。方法的标准化将使全世界各结核区研究结果的对比成为可能,并可由此选择监测有关效应的关键参数。标准化生物分类学的发展同样将使不同区域研究结果之间的对比成为可能。生物学家将可以对比不同区域动物区系的异同点,更好地认识物种的分布范围。3.2基础研究与现场经验3.2.1环境前线及其自然变化的研究承包者将按照国际海底管理局环境影响评价指南所建议的标准方法和技术,开展环境基线及其自然变化研究,并将共同建立CC区的环境基线。3.2.2海底影响实验继续开展BIE等海底扰动影响实验的监测或开展新的海底影响实验。此外,为了评价底栖动物对沉积物掩埋的敏感性及采矿羽流在扰动区周围和不同点的再沉积速率,将开展现场沉积物剂量反应实验。3.2.3建立多个长期参考区域由于CC区的深海环境和生物具有明显的梯度,因此需要在不同的位置建立一系列的参照区。在建立参照区前,应统一参照区选择的标准。3.3环境数据的共享为了广泛收集环境数据,监测环境研究进展,将建立国际海底环境信息系统,以满足未来结核勘探和承包者履行国际法的要求。同时将提高承包者在全球、区域和国家范围内进行数据收集、分析和决策的能力。来自各注册先驱投资者和其它有关组织的环境数据将进行汇总并在区域和全球尺度上进行评价,管理局将发挥数据中心的作用。各国和各科学团体所获得的资料和经验实现共享,以集中资源找到解决共同问题的方案,这将有助于减少人力和时间的浪费。3.4其他科学和技术问题3.4.1不稳定区域内浮游动物的扩散为了减轻尾矿表层排放对生态环境的影响,可以采用次表层或较深层尾矿排放的方式。目前,多数科学家认为商业开采时在500～800m左右的溶解氧最低层之下排放废水是可行的办法,这种方法可以减少对环境的影响。因为这种排放不仅不对浮游植物的光合作用和浮游动物及鱼卵仔鱼等产生影响,而且排放出来的悬浮颗粒物质由于没有跃层的阻隔而容易沉降到海底,在水平方向上扩散的范围缩小。另一种建议则认为,采矿过程的尾矿应尽可能快地返送到海底。但也有相反的意见,认为尾矿在较深层排放也许会对生态系统产生更大的危害,因为较深层排放在温跃层下相对静止的水层进行,使原来在表层排放时所具有的一些自然过程(它们对聚集和迁移悬浮固体物质非常有效)不再起作用,悬浮颗粒物质可能会在水层中滞留更长的时间。由此可见,需要进一步开展尾矿羽流对水体生态系统影响效应的研究。3.4.2海底水动力特性的研究海流是造成采矿羽流扩散和远离采矿区域大范围潜在环境影响的动力因子。由于将来进行开采的区域主要集中在海底,而目前关于深海海底的水动力状况的资料还相当缺乏。已有研究表明,深海海底并不是平静的海域,它也存在着一定的变化周期,流速达15cm/s以上的海底风暴也时有发生,因此,