克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）商业规模多金属结核开采的底栖羽流生成与沉积模拟

《Journal of Marine Science and Engineering》：Benthic Plume Generation and Sedimentation from a Commercial-Scale Model of Polymetallic Nodule Mining in the Clarion–Clipperton Zone

　　

深海采矿行业面临着来自对潜在环境影响（如采矿活动产生的沉积物羽流的影响）感到担忧的反对意见。为了评估这些影响的程度，应量化羽流的空间范围、总悬浮沉积物负荷以及由此产生的沉积的范围和厚度。在此，研究人员提出了一个克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）多金属结核开采中底栖羽流生成的商业规模模型。该模型量化了在东部CCZ的NORI-D合同区海底收集多金属结核435天后羽流的空间范围和由此产生的沉积。该模型基于先前发表的小规模试采作业的后报模型，按比例放大以反映商业运营。该模型包括用一个采集器车辆开采12,624公里采矿路径，反映了该区域现实的第一阶段开采。模型显示，大部分悬浮沉积物仍非常靠近采矿区，主要保持在海底上方约8米以下。羽流最大时仅增长到NORI-D水体积的0.029%，并在作业停止后2–5天内迅速消散。羽流中的大部分沉积物将沉积在采矿区，86.7%的沉积物落在最近采矿路径10米以内。沉积厚度取决于局部地形，一般为50至100毫米，在有限的低洼地区可达267毫米。在采矿区以外，厚度随距采矿路径的距离迅速减小，所有大于5毫米的厚度均发生在最近采集器轨道1公里以内。在采矿区以外，沉积以微米/天或更低的速率缓慢进行。结果表明，开采产生的羽流和沉积的影响在很大程度上限于采矿区。

深海多金属结核是富含锰、铜、镍、钴等关键金属的铁锰氧化物结壳，分布于深海平原表面。由于陆地矿石品位下降和绿色能源转型需求，商业开采再次受到关注。克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）位于东太平洋，估计拥有约211亿吨结核，是深海采矿的重点区域。然而，采矿活动产生的沉积物羽流，特别是海底采集器产生的底栖羽流（benthic plume，指近海底由采矿机械扰动形成的沉积物悬浮体），其空间范围、持续时间和沉积厚度缺乏充分的现场观测数据，导致环境影响评估存在较大不确定性。先前的研究规模有限、时间较短，难以推断商业规模开采（持续数年）造成的影响。因此，需要基于实际试采数据建立商业尺度的预测模型，以量化羽流扩展范围、悬浮物浓度和沉积厚度。

研究人员基于2022年Nauru Ocean Resources Inc.（NORI）在NORI-D合同区试采的校准后报模型，放大建立了商业规模模型。该模型模拟了一台15 m宽采集器沿12,624 km采矿路径进行435天开采的过程，量化了羽流体积、总悬浮固体（total suspended solids, TSS）浓度和沉积厚度。结果显示，羽流最大体积仅占合同区水体体积的0.029%，停止作业后2–5天即完全消散；86.7%的沉积物落在最近采矿路径10 m以内，沉积厚度一般为50–100 mm，低洼处可达267 mm。这表明底栖羽流及其沉积的影响主要局限于采矿区。该研究首次提供了商业尺度的羽流暴露场，为环境影响评估、监测设计和保护区规划提供了定量依据。

研究采用DHI MIKE 3 Flow Model FM，耦合水动力（HD）与泥沙输运（MT）模块。方法上采用近场与远场两套模型：近场模型为非静压求解，网格约2 m，模拟排放后3000秒内的动量和浮力扩散；远场模型为静压求解，自适应网格（最小约50 m），模拟600天内的羽流扩散和沉积。源项基于Allseas设计数据和2022年NORI试采实测数据，沉积物分为5个粒级，考虑絮凝和受阻沉降。边界条件由HYCOM再分析数据叠加DTU10潮汐提供，垂直方向采用16层sigma坐标。模型参数所用样本来自NORI-D合同区的箱式取样和ROV水样。

沉积物收支：模型共扰动3.164 Mt沉积物，其中0.056 Mt经上升管排出，实际进入底栖模型的为3.108 Mt。沉积物主要分布在采矿区附近：86.7%沉积在最近采集器轨道10 m内，91.4%在1 km内，94%在10 km内，另有5.5%输运出模型域外，但浓度极低。

悬浮固体浓度：羽流最大TSS浓度为3683 mg L^-1，出现在采集器正后方。侧向浓度梯度极陡，距采集器100–200 m处浓度从约1000 mg L^-1降至0.04 mg L^-1。垂直方向上，50%的悬浮物质量集中在距海底6 m以内，TSS在6–8 m以上迅速下降。

瞬时TSS水平：高TSS暴露过程是间歇性的。位于采集器轨道上的点A暴露时间短（数小时至数天），距轨道3 km和10 km的点B和C浓度较低，但持续时间相对较长。全模型中最长连续超过背景阈值（0.04 mg L^-1）的时段约960小时（40天），仅出现在北部区块西侧不足1 km²的区域。

羽流范围：以0.04 mg L^-1为外边界，羽流体积在开采开始后2–3天达到准稳态，约10 km³；最大体积为31.5 km³（占NORI-D水体积的0.029%），95%分位数为21.9 km³（0.02%）。作业暂停期间，羽流在2–5天内完全消散。羽流中颗粒的平均停留时间中值约4.8小时。

沉积厚度：在最近轨道10 m范围内，沉积厚度中位数为74.6 mm，通常为50–100 mm；厚度大于5 mm的区域全部位于距最近轨道1 km以内。沉积厚度受地形控制，在洼地和山谷处沉积可达267 mm，而在山脊和丘陵处较薄。

沉积事件：靠近采矿区的沉积以短暂高事件为主，由重力驱动的浊流（turbidity current）形成，单次事件厚度约1–15 mm；远离采矿区，沉积以极低速率（<0.001–0.02 mm d^-1）半连续进行，这些事件由背景水动力输运控制。

讨论部分指出，羽流最大体积远小于先前一些模型假设，原因是本模型采用的溢流率（87.5 kg s^-1）比某些研究低1–3个数量级。羽流准稳态体积与溢流率成正比，且其扁平形状（长数公里、厚数米）产生极大的表面积体积比，促进稀释和沉降。沉积物絮凝和采集器扩散器设计使沉积物在采集器附近快速沉降，因此高沉积厚度局限于采矿区。这种分布表明，通过设置适当大小的缓冲区，可以保护敏感生态区域（如海山、参考区、相邻合同区）。由于高浓度暴露是瞬时的，底栖生物可在两次事件之间部分恢复。结论翻译如下：模型结果表明，羽流在开采开始后迅速达到准稳态，最高TSS浓度（约3600 mg L^-1）仅出现在采集器后方约500 m、宽度数十米、高度低于8 m的狭窄区域内；该区域外TSS快速降低。羽流最大占合同区水体体积的0.029%，停止作业2–5天后完全消散。沉积物86.7%分布在最近采矿路径10 m内，大于5 mm的厚度均出现于1 km内；采矿区沉积厚度一般为50–100 mm，低洼处最大267 mm。因此，商业规模开采产生的底栖羽流和沉积在空间和时间上都是有限的，影响主要限于采矿区，且高暴露事件是短暂的，允许环境在事件间隙恢复。