中国可持续发展研究会：2024年深海矿产资源开发利用科技发展报告

顾问专家组李家彪中国工程院院士,自然资源部第二海洋研究所研究员李华军中国工程院院士,中国海洋大学教授翦知滑中国科学院院士,同济大学教授李茂林正高级工程师,长沙矿冶研究院有限公司许振强正高级工程师,广州海洋地质调查局报告召集人卓晓军王文涛许学伟张涛长沙矿冶研究院有限责任公司中国可持续发展研究会海洋资源开发技术与装备专业委员会主任委员中国21世纪议程管理中心中国可持续发展研究会海洋资源开发技术与装备专业委员会副主任委员/秘书长国家深海基地管理中心中国可持续发展研究会海洋资源开发技术与装备专业委员会委员中国地质调查局发展研究中心中国可持续发展研究会海洋资源开发技术与装备专业委员会委员编写作者(按姓氏笔画排序)王文涛中国21世纪议程管理中心王金平中国科学院西北生态环境资源研究院王莹莹中国石油大学(北京)王浩中国21世纪议程管理中心刘嘉天津大学许学伟国家深海基地管理中心杜新光中国船舶科学研究中心李艳李小虎李文华中南大学自然资源部第二海洋研究所大连海事大学李宇航杨永张涛张东声张国斌陈丹东陈旭光郑皓揭晓蒙程阳锐中国21世纪议程管理中心广州海洋地质调查局中国地质调查局发展研究中心自然资源部第二海洋研究所上海交通大学中国舰船研究设计中心中国海洋大学长沙矿冶研究院有限责任公司中国21世纪议程管理中心长沙矿冶研究院有限责任公司前言第一章深海矿产资源一、多金属结核二富钴结壳134三多金属硫化物5四深海稀土五、深海资源国际海底矿区7第二章深海矿产政策与法规一、国际海底区域二国际海底管理局三、国际海底制度的发展13第三章全球深海矿产资源开发利用科技进展—、文献计量分析二全球深海矿产勘探科技进展1517三、全球深海采矿科技进展21第四章我国深海矿产资源开发利用科技进展—、法律法规二资源勘探313233三资源开采34四环境保护35五、优势平台40第五章深海资源开发经济分析—、资源供需二深海矿产开发对陆地资源产生的影响434447三、国际上的经济评价模型49第六章发展展望51附:深海矿产资源开发利用科技创新大事记(2000-2023)54前言习近平总书记高度重视海洋强国建设,多次对海洋强国建设作出重要指示批示,强调要关心海洋、认识海洋、经略海洋,加快海洋科技创新步伐,并指出ll深海蕴藏地球上远未认知和开发的宝藏,要得到这些宝藏,必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术。"党的二十大报告指出ll发展海洋经济,保护海洋生态环境,加快建设海洋强国。"海洋作为支撑未来发展的资源宝库和战略空间,开发利用海洋资源一直是世界强国的核心战略目标,而海洋资源开发利用的关键在于科技创新。近年来,全球深海矿产资源开发利用呈现出以下特点。一是各国对国际海底矿产资源勘探权益的争夺越来越激烈。截至2023年12月,全球勘探矿区已达31个,近十年国际海底矿区申请总数达21个。二是深海矿产资源开采进入勘探向开发转变的重要阶段。世界主要发达国家纷纷加大对深海采矿相关技术的研发,并将深海矿产开发纳入国家海洋发展战略。欧盟、印度、日本等国家和地区投入大量的资金开展相关技术和装备的研发,开发技术日趋成熟。三是国际深海矿产资源开发规章制定日程加快,制度体系日益健全。2022-2023年,国际海底管理局密集开会讨论修订开发规章,但受海洋环保意识的增强、各国对缴费机制和环境影响等条款的争议,开发规章出台的日程一再拖延。我国高度重视深海采矿科技研发工作,通过一系列科技发展规划,对深海矿产资源开发利用科技工作进行了系统全面部署,实施863计划海洋领域采矿项目,国家重点研发计划ll深海关键技术与装备"、ll深海和极地关键技术与装备ll重点专项,推动了我国深海矿产勘探、开发、环保等技术取得阶段性突破,培养了一大批深海采矿人才,为未来我国深海采矿事业发展奠定了坚实基础。为系统梳理我国在深海矿产资源开发利用技术领域的研究进展,扎实推进我国深海矿产资源开发利用工作,中国可持续发展研究会海洋资源开发技术与装备专业委员会组织国内高水平专家编制了《中国深海矿产资源开发利用科技发展报告(2024年)》。本报告共分为6章。第一章深海矿产资源,主要介绍多金属结核、多金属硫化物、富钴铁锰结壳、深海稀土四种资源在全球的资源特征、分布状况、赋存机制等。第二章深海矿产政策与法规,主要介绍国际海底管理局的管理架构和制度体系,以及世界各国围绕深海矿产资源勘探开发所构建的法律制度体系。第三章全球深海采矿科技进展,基于文献计量分析了各国技术发展,并总结了不同阶段深海采矿技术的发展特点和研究技术进步成果。深海是战略新疆域,蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏,它们是全人类共同继承的财产。深海矿产资源种类丰富且资源量巨大,多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳和深海稀土是海底赋存的主要矿产资源类型(图1.1),其富含铜、镍、钴、稀土、锆、铬、钨、锡、钼、锑、锂等多种金属元素。其中,多金属结核主要分布于水深4000~6000m深海盆地,多金属硫化物主要分布于水深3000m以浅的大洋中脊、弧后盆地扩张中心和岛弧等区域,富钴结壳主要分布于水深800~3000m深海海山、海台或岛屿水下斜坡表面,深海稀土主要赋存于水深大于4000m深海盆地的富稀土沉积物中(图1.2)。图1.1深海矿产资源分布水深和区域示意图图1.2全球深海矿产资源分布示意图(资料来源:K.A.Miller,K.Brigden,etal.,FrontiersinMarinescience,2021)第二次世界大战以后,国际社会围绕海洋权利和海洋资源归属等问题展开了三次谈判,逐渐形成了以1982年《联合国海洋法公约》(简称《海洋法公约》)为主的法律制度体系,对领海、毗连区、专属经济区、大陆架、公海、国际海底区域等海洋区域及相关权利义务进行了界定。其中,《海洋法公约》第十一部分阐述了国际海底区域的法律框架、活动要求、管理机构及海底争端解决等内容,为深海矿产资源勘探、开发活动管理提供了依据。依据该规定,代表全人类管理国际海底区域及其资源的国际海底管理局成立,各国也纷纷制定深海采矿相关的法律和政策,推动了深海资源调查和勘探活动。国际海底区域(简称ll区域")是指国家管辖范围以外的海床、洋底及其底土,约占海洋面积的54%。国际海底区域及其资源是人类的共同继承财产,任何国家不应对国际海底区域的任何部分或其资源,主张或行使主权或主权权利,任何国家或自然人或法人也不应将国际海底区域或其资源的任何部分据为己有。国际海底区域内资源的一切权利属于全人类,由海管局代表全人类行使。图2.1国际海底区域(资料来源:国际海底管理局网站)自20世纪60年代开始,以美国、德国为代表的西方国家开始探索深海采矿作业模式,研发了相关装备和技术并开展试采,大大提升了人类对深海的认知和利用能力。随着技术的发展和人类开发利用海洋理念的变迁,在深海矿产资源开发利用过程中更加重视环境保护,要求减少对环境的扰动和对海洋生物的影响。基于全球深海矿产资源开发利用的发展历程,开采技术呈现安全可靠、绿色环保、智能高效等发展趋势。近几年,以加拿大金属公司(TMC)、日本国家石油天然气和金属公司(JOGMEC)为代表的企业正在开展相关资源的试采,取得较好的效果。随着新一代信息技术发展,人类认识和开发利用深海资源的技术将不断提高,深海矿产资源商业化开采步伐将越来越快。为分析国内外深海矿产资源勘探开发的前沿领域、专利技术、研究机构,本报告采用文献计量分析的方法,文献数据来源于SCI-E、EI、中国知网及incopat。根据数据统计结果,从2000年至2022年,深海采矿领域发文量总体呈上升趋势。2012年以后,发文最多的为美国,其次中国、法国、德国、英国、日本、加拿大和俄罗斯。基于SCI-E数据库中关键词统计,所涉及的高频关键词是:Hydrothermalvents、DeepSea、DiVerSity、Mid-AtIantiCRidge、pacific、communities、sea、Deep-seaMining、Biodiversity,可以聚类为生物多样性、深海采矿产物、深海采矿位置、热液喷口四类(图3.1)。从国内研究机构发表论文的关键词分析,出现频率最高的为富钴结壳、深海采矿、多金属结核、多金属硫化物、稀土元素等,图3.2展示了出现频率前30的关键词共现网络。与国外相比,我国对深海采矿造成的生态问题研究较少。图3.1SCI-E数据库深海采矿领域高频关键词图3.2TOP30关键词共现网络(节点大小代表词频高低)2.1991-2010年:技术发展平缓期、探索多种资源开发20世纪90年代开始,西方国家基本放弃了整体采矿系统的多金属结核海上整体联动试验,转而进行关键技术和设备研发、矿产资源评价体系构建和海洋环境保护研究,较前一阶段相比,总体呈现缓慢发展特征。但这一阶段海洋油气勘探、开发技术迅猛发展,并逐渐走向深水,为深海采矿发展提供了基图3.9:1991-2010年部分国家深海采矿技术试验情况3.2011-现在:技术快速发展期,重视环境影响该阶段深海采矿技术再次快速发展,在技术、设备和工艺方面取得了显著的进步,使得深海矿产资源的开采变得更为高效和可行,并加强了对环境影响的研究和评估。此外,国际社会也开始加强对深海采矿活动的监管和管理。随着比利时GSR公司、加拿大TMC公司、日本JOGMEC公司等商业化公司进入,深海采矿进一步加快了发展速度。图3.10:2011以来部分国家深海采矿试验情况(日本、韩国)图3.11:2011以来部分国家深海采矿试验情况(加拿大和比利时等)美国海洋管理公司(OMI)拖曳式采矿车阿基米德螺旋式印度NIOT研究所采矿车韩国MineRo-I采矿车比利时GSRPATANIA采矿车日本JOGMEC硫化物采矿车图3.12主要采矿车表3.4主要国家采矿车海试情况资源类型多金属结核多金属结核多金属硫化物多金属结核多金属结核多金属结核海试时间202220212017201319781979采矿车名称pataniaIIMinRo设计产能(干重,t/h)1806510~153550设计水深(m)5000500030003000最大行驶速度(m/s)功率(kw)1MW550外形尺寸(mxmxm)12x6x512x4.7x4.57x3.2x3.56x5x4空气中重量(t)802528水中重量(t)1415采集头宽度(m)4进入21世纪后,随着金属价格稳步上升,国际深海法律框架逐步健全完善,重要战略资源陆续被发现,深海矿产资源开发迎来新机遇,进入快速发展阶段。我国近年来在深海资源勘探开发科技方面发展迅速,但是底子薄、起步晚,距离西方发达国家以及商业化开发目标仍具有一定的差距。(-)国家政策及规划(二)法律制度我国已将深海科技发展纳入法治轨道,通过立法整合资源,推动深海科技发展,提高科研水平,促进我国深海事业的健康发展。2016年2月26日,第十二届全国人民代表大会常务委员会第十九次会议通过了《中华人民共和国深海海底区域资源勘探开发法》(简称《深海法》)。该部法律的两大目标之一是管控深海海底区域资源勘探、开发活动,提升深海科学技术水平。《深海法》明确指出,国家支持深海科学技术研究和专业人才培养,将深海科学技术列入科学技术发展的优先领域,鼓励与相关产业的合作研究。党的十八大以来,党中央、国务院高度重视深海科技发展,国民经济ll十三五"和ll十四五"规划都把深海科技列入优先发展领域。《ll十三五"海洋领域科技创新专项规划》指出,开展大洋矿产成矿机理与分布规律等科学问题研究,开发高效勘探核心技术研究及深海采矿系统设计,研制集矿与输送装备,完成1000m海深集矿、我国已将深海科技发展纳入法治轨道,通过立法整合资源,推动深海科技发展,提高科研水平,促进我国深海事业的健康发展。2016年2月26日,第十二届全国人民代表大会常务委员会第十九次会议通过了《中华人民共和国深海海底区域资源勘探开发法》(简称《深海法》)。该部法律的两大目标之一是管控深海海底区域资源勘探、开发活动,提升深海科学技术水平。《深海法》明确指出,国家支持深海科学技术研究和专业人才培养,将深海科学技术列入科学技术发展的优先领域,鼓励与相关产业的合作研究。未来产业"。海参会专家编参会专家编写了海管局第23号技术报告《TowardstheDevelopmentofaRegionalEnvironmentalManagementplanforcobalt-RichFerromanganesecrustsintheNorthwestpacificocean》,提出了制定西太平洋REMP的科学依据、基本原则和时间表。2020年11月9日,自然资源部(国家海洋局)与海管局共建的ll中国-国际海底管理局联合培训和研究中心"正式启动,其核心任务之一是促进深海环境与深海生态领域研究,提升发展中国家参与区域环境治理的能力。ll十—五ll十—五"至今,我国围绕多金属结核区的环境参照区选划开展研究,对环境参照区的选划原则和标准进行了探讨,提出了大洋协会合同区的环境参照区选划技术方案。2021年,在南海开展1000米级结核采矿试验的环境影响评估,初步建立环境影响评价指标体系,构建了羽状流评估模型,在试验期间开展环境监测,评估了采矿试验对深海环境和生物群落的影响,编制了环境影响评估报告,同时还完成了国际上首个深海原位重金属毒理试验,为深海采矿环境影响评价提供了重要的生物标志物。通过该探索性工作,为商业化多金属结核开发的环境影响评价工作奠定了基础。(三)深海采矿环境保护与管理《深海法》为深海资源勘探和开发过程中保护海洋生物多样性和生态系统,维护海洋资源的可持续利用提供了法律保障。作为拥有勘探合同区数量最多的国家,我国在履行勘探合同义务的同时,通过专项调查和科学计划等多种形式积极推动深海环境保护工作。2017年7月,中国大洋协会在海管局第23届理事会第二次会议期间组织边会,正式发起在西北太平洋富钴结壳区和印度洋洋中脊区域建设区域环境管理计划(REMP(三)深海采矿环境保护与管理《深海法》为深海资源勘探和开发过程中保护海洋生物多样性和生态系统,维护海洋资源的可持续利用提供了法律保障。作为拥有勘探合同区数量最多的国家,我国在履行勘探合同义务的同时,通过专项调查和科学计划等多种形式积极推动深海环境保护工作。2017年7月,中国大洋协会在海管局第23届理事会第二次会议期间组织边会,正式发起在西北太平洋富钴结壳区和印度洋洋中脊区域建设区域环境管理计划(REMP)的倡议,得到了海管局及与会各方的积极回应。2018年5月,海管局与中国大洋协会联合在中国青岛举办了西太平洋富钴结壳区REMP研讨会,海管局秘书长及相关人员、联大及相关国际组织代表、科学界代表等共119人与会。会后,由我国科学家牵头联合海采矿的制约因素。2023年6月,《国家管辖范围以外区域海洋生物多样性养护和可持续利用国际协定》文本通过,表明世界各国已经就国家管辖范围以外海域的生物多样性保护目标达成重要共识。尽管该条约的生效对深海采矿的影响仍不清楚,但深海矿区已经不是法外之地。深海矿区资源开发过程中,与公海深海保护相关的法律、政策等衔接是当承包者与管理部门尤其需要关注的问题。深海矿产中的铜、镍、钴、锰等金属资源具有巨大的开发利用价值,其陆地资源具有分布相对集中、供需矛盾突出、贸易量大等特点,因此,深海资源的开发势必会对陆地资源国产生一定的影响。深海采矿作为未来可能的新兴产业,其潜在商业价值巨大,但由于缺乏相关数据,对其经济评价方法和模型只能借鉴其他行业,以供参考。(-)资源现状以铜、镍、钴、锰四个矿种为例,认识和评价资源现状。铜资源量的全球陆地分布在智利 (21.45%)、澳大利亚(10.95%)、秘鲁(9.15%)、俄罗斯(7.00%)、墨西哥(5.98%)、刚果 (3.50%)等国家,这六个国家的资源量约占全球的60%。产量上,2022年全球约2200万吨,其中前六位的国家分别为智利(23.68%)、刚果(10.02%)、秘鲁(10.02%)、中国(8.65%)、俄罗斯 (4.55%)、印度尼西亚(4.19%)。图5.1全球铜矿资源分布及产量情况可以看出,在STEPS下,铜、钴、镍矿物供应需求均会持续增长,2020年至2040年电动汽车和电池储存的矿物需求分别增长了近9倍和18倍;在SDS下的需求更大。若考虑这两个领域对矿物资源的膨胀式需求,届时矿物需求可能比目前预测值更高。根据图5.5-图5.7的数据,取平均得出2035年铜、镍、钴三种金属在以上两种模式下的预计需求(如图5.8所示)。中国作为全球第二大经济体,近几年随着信息技术、清洁能源、电动汽车等行业的迅速发展,中国的金属需求进一步被释放。中国目前的铜、镍、钴消费量均超出全球的40%,对外依存度均超70%。目前,中国同其他国家一道正积极3025205STEPSSDS场景图5.8面向2035年的铜、镍、钴的需求预估258524475043512546铜镍钴开展工作探求潜在矿产来源。深海矿产蕴含资源种类多、储量大,258524475043512546铜镍钴市场的潜在影响,可分三种情况:最低(2个承包商)、基本(6个承包商)和最高(12个承包商)。所有情景均假设第一个承包商在2027年开始开采,第二个在2030年开始开采,而其余的承包商在2031-2033年加入这一进程,在2035年达到6个或12个承包商的最大总生产水平 (表5.1)。若按照该产能计算,仅多金属结核的开采将对全球钴市场的潜在影响,可分三种情况:最低(2个承包商)、基本(6个承包商)和最高(12个承包商)。所有情景均假设第一个承包商在2027年开始开采,第二个在2030年开始开采,而其余的承包商在2031-2033年加入这一进程,在2035年达到6个或12个承包商的最大总生产水平 (表5.1)。若按照该产能计算,仅多金属结核的开采将对全球钴、铜、镍、锰的供需格局、市场价格等产生重大影响。考虑到多金属结核的开采及其对受影响金属随着世界各国开发利用深海能力的提升,深海采矿已经成为各国海洋科技发展的重要方向。全球新一代信息技术发展和能源转型的持续推进,推动了对关键矿产的需求,进一步刺激了各国和商业公司对深海采矿的重视。然而深海采矿活动不可避免的会对海底、水体和海洋生物等带来一定影响,如何平衡好资源利用和环境保护一直是国际社会关注的焦点。目前,海管局《开发规章》尚未出台,关于环境标准、缴费机制、惠益分享等仍处于持续的讨论中。总体而言,深海采矿已成为21世纪人类认识和利用海洋资源的重要方向,如何平衡好开发与保护、发达国家与发展中国家等各方面的利益是大家关心的焦点。1.深海资源开发利用前景广阔,有望成为未来的战略新兴产业深海蕴含着丰富的战略性矿产资源,是全人类的共同继承财产。目前被认为具有商业开发前景的矿种主要有多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、深海稀土等,其富含的钴、锰、镍等金属资源量远超陆地。随着新一代信息技术及能源转型对钴、镍、铜等金属的需求迅速增加,深海资源将成为陆地资源的重要接替,深海采矿有望成为一个价值数万亿美元的产业。深海矿产资源的开发利用还将带动相关产业的发展,例如海洋工程、海洋地质勘测、海洋环境监测、新型资源工业规模清洁选冶等。这些产业的发展将带来巨大的经济效益,推动经济的可持续发展。2.深海资源开发需坚持开发与保护并重原则,注重深海环境保护与资源可持续利用人类命运共同体理念下深海采矿利益共享机制的构建应当坚持可持续发展原则,关注代际公平,建立补偿制度,将代际损失的机会成本内部化,将更多资源留给未来的人类。根据《联合国海洋法公约》的规定,利益共享应更多惠及没有参加深海采矿活动的主体。相较于深海矿产开发者,那些积极参与深海自然资源管理及深海环境保护群体的利益容易被忽视。利益共享机制蕴含深海环境保护与资源可持续利用之意,可以使深海采矿利益不仅惠及更多的当代人,还惠及后代人。3.坚持发展绿色智能环保开发技术,提高开发效率并降低环境扰动在当前严苛环境保护和激烈的资源竞争形势下,谁掌握了核心技术,谁能创造更先进的技术,谁就能在竞争中获得优势。应对当前的环境保护与资源竞争形势,强化和突出技术创新主体地位,提升核心竞争力和控制力。同时,通过引进已有先进技术,协同作业,重点攻关,推动资源整合,吸收再创新,创造发展深海矿产开发的核心技术、颠覆性技术等超越发展的新机遇。4.加强全球国际合作,提升行业国际地位通过国际海底区域矿产资源、环境调查等共性技术研究以及国际标准的研制,提高海洋资源调查和环境保护领域的国际合作程度,提升中国在国际海底事务中的话语权。通过制定国际合作科学计划,凝聚国际科研力量,增进对深海生态系统以及深海采矿潜在影响的科学知识的交流。通过全面参与海管局事务,加强海管局作为区域资源和环境管理机构的地位。同时,加快完善国家深海采矿法律制度,塑造深海采矿行业的正面形象,构建社会各界对深海采矿行业的信任。5.提升公众参与,充分听取和吸纳利益相关者的诉求区域组织进行综合合作,提高秘书处的参与能力。秘书处下设专门的沟通部门,负责提高与利益攸关方及公众互动的质量,确保利益攸关方积极参与。随着深海采矿进入实质开展阶段,将有越来区域组织进行综合合作,提高秘书处的参与能力。秘书处下设专门的沟通部门,负责提高与利益攸关方及公众互动的质量,确保利益攸关方积极参与。目前,尽管关注深海矿产资源开发利用的国家和企业越来越多,但相关装备及技术仍处于研制和试验阶段,尚未实现对深海矿产资源的商业化开发。在新一轮科技革命引领下,随着大数据、物联网、人工智能的技术快速进步,也必将推动深海矿产资源开发利用行业的技术迭代和科技发展。