【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!
錳結核沙灘
中太平洋北部的錳結核沙灘,上面爬了一隻海參。(圖片來源 :法國海洋開發研究院IFREMER)

■ 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。

 

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1950-2008世界金屬產量 (圖片來源:美國地質調查所)

 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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海底塊狀硫化物開採技術示意圖(圖片來源:鸚鵡螺礦業公司CARES分部http://www.cares.nautilusminerals.com)

  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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海底探測船的機器手臂與停止噴發的多金屬硫化物黑煙囪圖片(圖片來源 鸚鵡螺礦業公司)。

  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。

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4 thoughts on “【投稿精選】海中的潘朵拉—海底金屬礦床

  • 2010 年 02 月 14 日 at 15:04:34
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    很高興看到遠方來的稿子,
    This should make a day for MissZoe and CASE.
    生態系(ecosystem)中最重要的指標之一就是substances and energy flow的「均衡」。偏偏人類使用資源的方式與量級對物質與能量自然的均衡流動頗不協調,破壞性甚大。有一本書曾說每一種「智慧生物」都需要經歷一次使用資源與人口平衡的大劫,智人的大劫或許就在這個世紀。

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    • 2010 年 02 月 14 日 at 17:11:16
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      沒錯!徵文開動是CASE PRESS里程碑~
      不過話說,今天不是大年初一嗎....為何老師開春做的第一件事情竟是上CASE PRESS.....

      Reply
  • 2010 年 02 月 14 日 at 20:19:55
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    I can give you two reasons:
    1 Please see my comment on the Valetine day.
    2 I was hoping to see something new about CASE View.

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    • 2010 年 02 月 14 日 at 22:49:09
      Permalink

      呃....
      我想一般人是不會在大年初一更新網站的,所以...
      上來看不到更新....是正常的....
      可是,我為什麼會在這裡回文呢...(上面不是說大年初一不會有人管網站嗎,那我的行為該如何解釋呢?)啊無法解釋了,還是趕快離線假裝沒看到的好!(逃)

      Reply

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