【投稿精選】海中的潘朵拉—海底金屬礦床

主題徵文「STS—科學、科技與社會」獲選作品公開！

■ CASE PRESS一月的主題徵文日前已截止，我們在來稿中選出了地科學者諸南沁博士的〈海中的潘朵拉〉一文。她為讀者介紹潛藏在海裡的金屬資源，以及最近才發現的一處新礦床，並討論了海中金屬礦床可能帶來的國際資源分配和生態議題。

撰文 ∣ 諸南沁

　　在最近的熱門電影《阿凡達》裡，人類到另外一個星球去尋找能源礦物，故事雖是科幻的，資源短缺的背景卻是當下的事實。

　　說到資源，大部分的人會想到石油或碳等的燃料資源，新聞媒體總是追逐著燃料決策帶來的衝擊效果，生活物價也往往隨著油價上下起伏。但是我們卻常忽視另一項在日常生活中也非常重要的資源——金屬礦物。試問停電的時候，有多少人會想到傳輸電力的電線所需的銅與鋁？手機或隨身聽沒電，也不會聯想到用來製作電池的鉛、鎳、鎘或鋰；同樣的，甚少人關心電視電腦液晶螢幕需要的銦。若要製造一輛汽車，需要至少一噸的鋼鐵，100公斤以上的鋁，20公斤以上的碳、銅與矽，和10公斤的鋅。

　我們不會自動想到這些金屬，是因為我們不直接「購買」礦物，而是消費已經利用這些礦物資源製造好的產品。然而，沒有了這些「非燃料性」的金屬礦物，許多我們視為理所當然的東西根本不會出現。隨著科技產品日新月異以及人類社會躍升的消費力，急速的更新汰換已經是現今社會的新現象，科技產品諸如手機、遊樂器、電腦乃至電視的使用期限越來越短，近乎變成了「耗材」。除此之外，90年代後中國的經濟迅速發展，及印度與南韓的消費力增加，導致礦物資源的需求變得更大。

　　在2008年，全球的金屬產量，包括鋁、砷、鎘、鉻、銅、金、鉛、汞、鎳與鋼，總計有14億噸（圖左），是70年代末期的兩倍，甚至是50年代產量的七倍有餘。儘管如此，仍然無法滿足人類的需求。需求當然反映在價格上，每公噸銅的價格，已經由90年代末期的兩千美元升到近年來的將近九千美元；同樣的期間，每公噸鋅的價錢，也從一千美金翻四倍到四千元。大部分金屬礦物是無法再生的，雖然隨著開採煉製技術的改進，可以提升金屬提煉的效率，金屬重複回收使用的比例也越來越高，但還是不敷社會的高度需求。我們勢必也得像《阿凡達》裡的人類努力尋找潘朵拉星球。

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?海底金屬新礦場

　　其實科學家與政府已很積極的開發新礦場，這個潘朵拉礦場並不在遙遠的光年外，而就在我們住的星球上占地球表面三分之二強的廣闊海洋底。在一個多世紀以前，科學家已經發現在深海底有一種形狀特別，大小有如馬鈴薯或椰子般散佈在海底表面的錳結核（ferromanganese nodules）（可參見上面的『錳結核』圖片），以及生長在海山上的錳結殼（ferromanganese crusts）。這些結核或結殼從海水或沉積物中的孔隙水裡逐漸沉積形成，遍佈在將近70％的海底，富含鎳、錳、銅和鈷等金屬，在4000到 6000公尺深處的富藏量最豐富。錳核的開採從70年代開始，利用氣舉（airlift）系統或水力採礦（hydraulic mining），將挖起來的結核提升到開採平台或載礦船上。開採的研發過程在80年代後暫停了一陣子，這幾年由於金屬需求量增加，許多國家，例如印度，又開始執行大型的研發計畫，期待可以發展出更有效率的開採方式。

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　　另一個更值得注意的海底礦床，直到30年前才被發現。當時，科學家在北緯21度下加利福尼亞岸外的東太平洋隆起（East Pacific Rise）發現煙囪狀的黑色岩石構造，這些噴湧熱液的黑色煙囪，位於硫化物堆起的山丘上，周圍伴隨著前所未見的生物型態。隨後的研究發現，由於地殼底下的岩漿對流，海洋板塊會從岩漿上升處向兩側拉開移動，因為張裂運動會形成斷層與裂縫。而冰冷的海水，便沿著這些裂縫滲入，再被下方新形成的高溫火成岩加熱，變成了富含金屬的黑色熱液。溫度高達攝氏四百多度的熱液從海底噴出後，內含的金屬與冰冷的海水作用沉澱形成多金屬硫化物。這些硫化物，包含方鉛礦，閃鋅礦和黃銅礦，積聚形成幾千到億噸的塊狀礦床，除了高濃度的一般金屬（鉛、鋅、銅），這些硫化物還富含金與銀等的貴金屬。

　　類似的新的礦床不斷的被發現，兩個月前不到，在2009年十二月，加拿大--—澳大利亞的鸚鵡螺礦業有限公司（Nautilus Minerals Inc.）在巴布亞新幾內亞北部的俾斯麥海海域，就發現了五個高開採等級的海底塊狀硫化物系統（seafloor massive sulphide）。

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資源分配與生態影響?

　　由於這些礦物資源所在區域大部分位於國際公海的範圍，不然就是需要特別的開採技術，對於擁有高科技資源的國家是否比較佔優勢呢？此外，海底開礦會對環境造成什麼樣的衝擊呢？在1970年，聯合國大會通過一項決議，宣布國家管轄範圍以外的海床和洋底的資源為「人類的共同繼承財產」，任何國家或個人均不得據為己有。

　　1982年「聯合國海洋法公約」通過，國際海底管理局（International Seabed Authority）於1994年隨著公約的生效而誕生，總部則設在牙買加的金斯敦，代表世界各國行使對國際海底區域的資源管理。這個管理局的最終目標，就是在環境與技術的考量下，制定出一套適用於所有海底資源的勘探和開發的採礦規則，並授權承包商在國際海底區域的探勘與採礦，當採礦活動開始營利，承包者將向管理局支付使用費，管理局則根據發展中國家的利益和需要，公平地分配這些收入。

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　　對於開礦者而言，海底開礦無異是打開阿里巴巴的寶藏石門，前文所提到的鸚鵡螺礦業公司，光是它的一個開採計畫Solwara 1（新幾內亞附近），其中的銅礦，就帶來該公司近60%的年收入。海底開礦與陸地開礦不同，無須破壞景觀、移動居住村落，或者破壞原有村莊的社會結構。大部分的洋底礦產，除了必須潛到水底，其餘幾乎就像用耙子採集地上的農作物一樣輕鬆（見右圖跟上圖）。然而，許多環境保育者與一些科學家，還是持著保留的態度。譬如在某些區域，因為海底洋流的關係，採礦工作揚起來的沙塵，需要很久的時間才能重新沉積下來，一次1989年的錳核開採測試，就是因為這樣而近乎消滅了整區的生物。

　　除了商機前景，海底礦業發展也可能帶來科技的發展與科學研究的進步，如何才能在最低的環境衝擊下，最有效率的開採礦物，是科技研發界的一大挑戰。另外，學術界也得以藉著勘探合作之便，研究特別是黑煙囪生態圈的生物多樣性，以及評估人類的開礦行為對深海環境的衝擊。就這個議題上，社會、科技與科學一體三面，息息相關。如何適當的選擇開採的地點、方式與根據科學研究結果來制訂政策，考驗科學界、政府與社會大眾的智慧。

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參考資料

1. http://minerals.usgs.gov/index.html 美國地質調查所礦物資源計畫 (USGS Mineral Resources Program)? ???

2. Mineral Resources and Sustainability: Challenges for Earth Scientists (1997) Commission on Geosciences, Environment and Resources (CGER)

3. Rona, P. (2003) Resources of the Sea Floor, Science, 299, 673-674.

4. Gerald Traufetter (10/04/2006), Treasure at the bottom of the sea, SPIEGEL Online http://www.spiegel.de/international/spiegel/0,1518,440618,00.html

5. Herzig et al. (2000) Seafloor massive sulphides deposits and their resource potential. Proceedings of the International Seabed Authority Workshop, Kingston, Jamaica: International Seabed Authority, 109-161.

6. Yves Sciama (Nov. 2009) Or des abysses, Science & Vie, 1106, p. 72-79.

?7. 鸚鵡螺礦業公司網頁http://www.nautilusminerals.com/s/Home.asp

8. 國際海底管理局網頁http://www.isa.org.jm/en/home

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作者介紹

本文作者畢業於台大地質系，赴英國國家海洋研究中心南安普頓大學取得博士學位。現為歐盟居禮夫人行動下的研究員，在法國海洋開發研究院從事微生物地球化學的研究。熱愛科學，更喜歡跟別人分享她新學到的故事。