海底多金属硫化物的矿物组合和金属浓度强烈影响着深海采矿过程中释放的重金属的去向

《Journal of Hazardous Materials》：Mineral assemblages and metal concentrations of seafloor massive sulfides strongly influence the fate of heavy metals released during deep-sea mining

　　

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  深海中的大多数硫化物氧化过程呈先快后慢的模式。
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  次生含水氧化铁可以封存硫化物中的重金属。
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  高浓度重金属硫化物可能导致更为显著的净损失。
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  富含黄铜矿或包覆有含水氧化铁的矿体需要更加专注的采矿前评估。

引言

工业化的加速推进导致了对金属矿物的日益增长的需求。陆地矿产资源的枯竭激发了人们对深海矿藏的极大兴趣[1]、[2]。多金属硫化物、多金属结核和富钴铁锰结壳含有铜、钴、镍、锌、银和金等具有经济价值的金属，是国际海底区域最常见的矿物类型[3]、[4]。然而值得注意的是，采矿活动可能导致重大的环境扰动，包括栖息地移除、沉积物羽流、噪声和光污染[5]、[6]、[7]、[8]。因此，在大规模采矿开始之前，必须全面了解此类人为活动对基准海洋环境的影响，并制定适当的减缓策略以将潜在的负面影响降至最低。

现有的关于海底块状硫化物矿床拟议采矿程序的信息表明，切割和收集操作期间会产生局部羽流，而过滤回水排放时则会形成海底羽流（图1a）[5]、[6]、[9]。这些人为深海羽流富含新鲜硫化物颗粒物，在采矿点周围的沉降速率显著高于自然背景水平。无论悬浮于水柱中还是沉降于海底，硫化物颗粒物都会经历氧化溶解过程，从而释放重金属，在矿区附近形成重金属污染的海水[10]、[11]、[12]。目前，已有大量基于实验室的浸出实验用于研究悬浮硫化物颗粒物向海水中的重金属释放[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。相比之下，沉降硫化物颗粒物的氧化溶解所关联的环境风险尚未得到足够的关注。

实验室观察主要涉及将适量的海水和硫化物颗粒物加入恒定体积容器中，反应时间从几分钟到数小时不等，一般不超过72 小时[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。在实验室条件下，维持温度、压力、溶解氧浓度和海水稀释速率等参数在数天甚至一个月期间保持稳定是相当困难的。实验室实验条件往往与实际的深海环境存在显著差异。利用各种硫化物颗粒物直接在深海中开展氧化实验有助于克服这些局限，并获得新的见解。

本研究利用蛟龙号载人潜水器和海龙四号遥控潜水器（图1b），在印度洋海岭热液区海底部署了七种具有不同矿物组合的硫化物样品材料（硫化物颗粒物），进行为期2至35天的膜限制原位深海培养实验。采用X射线衍射、光学显微镜、配备能谱仪的扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对初始硫化物颗粒物及其氧化残留物的矿物组合进行了表征，并利用电感耦合等离子体发射光谱和电感耦合等离子体质谱测定了其地球化学组成。本研究试图初步了解深海采矿活动可能导致沉降至海底的硫化物颗粒物的氧化溶解过程、次生矿物对重金属行为的调控作用，以及影响重金属迁移途径的关键因素。本研究首次原位验证了含水氧化铁对溶解金属的缓冲效应。鉴于海底沉积硫化物颗粒物的氧化溶解是深海采矿不可避免的难题，本研究为优化采矿工艺和减轻重金属污染提供了重要的科学依据。

章节摘要

沉降硫化物颗粒物的膜限制原位深海培养

本研究利用蛟龙号载人潜水器和海龙四号遥控潜水器，在印度洋DY 72和DY 78航次期间，对七种硫化物样品材料进行了为期2至35天的膜限制原位深海培养实验（表S1）。在使用的七种硫化物颗粒物中，H1–H3是将西南印度洋海岭采集的硫化物去除氧化蚀变部分后直接研磨制备而成，随后在惰性气体保护下进行冷冻干燥

矿物转化

硫化物的氧化溶解可以定义为初级硫化物矿物的分解，导致形成新的矿物相，如含水氧化铁、白铜矿和黄钾铁矾[19]、[20]、[21]、[22]。本文采用X射线衍射、扫描电子显微镜能谱、光学显微镜和X射线光电子能谱对新硫化物样品及其氧化残留物中的矿物组合进行了表征。矿物学结果汇总于表1。

H1是富含非晶质二氧化硅的硫化物样品，其中黄铁矿

结论与未来方向

本研究表明，在微生物限制条件下，深海中的大多数硫化物通常表现出初始快速氧化阶段随后转入较慢阶段的特征，而高品位黄铜矿矿石则表现出显著的抗氧化能力。本研究首次在深海采矿背景下原位验证了硫化物氧化过程中形成的次生含水氧化铁对释放的重金属具有缓冲效应。当母岩中的重金属浓度

环境意义

海底块状硫化物矿床的开采存在因硫化物颗粒物氧化溶解而释放重金属的风险。本研究通过对七种硫化物材料进行膜限制原位深海培养，揭示了氧化过程中释放的重金属的命运与起始硫化物的矿物组合和金属浓度密切相关。结果表明，次生含水氧化铁可以调控释放的重金属，将环境风险限制在

意义声明

海底块状硫化物矿床的开采存在因硫化物颗粒物氧化溶解而释放重金属的风险。本研究通过对七种硫化物材料进行膜限制原位深海培养，揭示了氧化过程中释放的重金属的命运与起始硫化物的矿物组合和金属浓度密切相关。结果表明，次生含水氧化铁可以调控释放的重金属，将环境风险限制在

作者贡献声明

陶春辉：撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理。邱中荣：方法论、数据整理。吴涛：撰写—审阅与编辑、资源、项目管理、资金获取。孙跃东：方法论、调查研究。朱传伟：方法论、数据整理。廖石力：撰写—审阅与编辑。王世顺：撰写—审阅与编辑、方法论、调查研究。胡思怡：撰写—初稿、可视化、方法论、调查研究，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的情况。

致谢

作者感谢国家海洋局DY72^th和DY78^th航次科学考察队、船长及全体船员在深海实验中的协助。本研究受国家自然科学基金（项目编号：42406043）、国家重点研发计划（项目编号：2025YFE0210800）以及自然资源部海底科学重点实验室开放课题项目（编号：KLSG2404）资助。

Siyi Hu|Jin Liang|Shili Liao|Shishun Wang|Yuedong Sun|Chuanwei Zhu|Zhongrong Qiu|Tao Wu|Chunhui Tao