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为了造手机电脑的电池,人们几乎把海洋挖空

52人参与 |  2020年03月17日 16:42|  作者:   |  评论:0
  摘要  

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来源:新浪科技(ID:techsina)

编译:木尔

以下为《大西洋月刊》对海底勘探和开采的深度报道:

大多数人若非患有慢性焦虑症或受困于虚无主义之绝望,大概不会费劲心思去思索海底。在我们的想象中,海底仿佛是一片广阔的沙滩。但实际上,海底同陆地地貌一样,此起彼伏,有平地、有高山,有绵延的峡谷,有温泉从岩石缝汩汩流出,也有含大量盐分的水流从山坡渗出汇入海底湖泊。

这些高山峡谷也蕴藏着陆地上发现的大多数相同矿物。最早有科学家记录的矿藏大约可追溯到1868年,彼时一艘捕捞船从俄罗斯北部的海底打捞上来一大块铁矿砂。五年后,另一艘船在大西洋海底发现类似矿块,又过了两年,人们在太平洋海底发现了一片相同的矿域。一个多世纪以来,海洋学家不断在海底发现新的矿物——铜、镍、银、铂、金,甚至宝石。与此同时,采矿公司也在寻找一种切实可行的办法来开采这些矿藏。

时至今日,世界上许多大型矿业公司已经启动了水下采矿项目。在非洲西海岸,钻石公司戴比尔斯集团(De Beers Group)正在使用一支专业船队拖曳着机器,搜寻海底钻石。2018年,这些船只从纳米比亚沿海水域开采了140万克拉钻石;2019年,戴尔比斯签下一艘新船,可以以较其他船只两倍的效率搜索海底。另一家公司——鹦鹉螺矿业公司(Nautilus Minerals),正在巴布新几内亚的领海内工作,试图开采海底温泉底下暗藏的贵金属;日本和韩国也在着手实施各自的国家项目以开采自己的离岸矿藏。但是,对这些采矿公司而言,最好的机会是进入公海,这片海域覆盖全球一半以上的海底,所含矿物多于地球七个大陆的总和。

海洋开采至今尚无正式法规约束。联合国将这项任务委托给一个名不见经传的组织,叫国际海底管理局(ISA)。该组织位于牙买加金斯顿港边缘的两栋浅灰色办公楼内。与大多数联合国机构不同,ISA几乎不受监督,并被划分为“自治”机构,归组织自己的秘书长管理;这位秘书长每年自行在ISA总部召开一次大会,为期一周左右。届时,来自168个成员国的代表从世界各地涌入金斯顿港,聚集在牙买加会议中心大礼堂的半圆桌边。他们的任务不是组织海底开采,而是尽量减少开采带来的伤害——选择允许开采的地点,向采矿公司颁发许可证,以及起草水下采矿准则的技术和环境标准。

编写准则实属不易。ISA的成员一直难以就监管框架达成共识,就在他们讨论废物处理和生态保护的细节的同时,ISA已在全球发放“开采”许可。大约30个矿物承包商已经获得在大西洋、太平洋和印度洋等广阔海域采矿的许可证。其中一个开采点位于佛罗里达以东2300英里处,那里含有有史以来发现的最大海底温泉系统,高耸的白色塔尖构成一幅幽灵般景观,科学家称之为“失落之城”。另一个开采点绵延太平洋海底4500英里,差不多是地球周长的五分之一。拥有勘探这些地区许可证的公司轻松拿到大把融资。他们设计并建造实验车,然后把实验车送入海底,一边测试挖掘和开采的方法,一边等待ISA完善采矿准则,打开商业开采的大门。

这些公司若满负荷运作,每年预计可以挖掘数千平方英里。他们的开采工具将有条不紊地沿着海底爬行,挖掘海底面最上层的五英寸。海面船只负责用软管将数千磅沉淀物吸到海面,取出金属物体(即多金属结石矿),然后把剩余的沉淀物倒回大海。有些淤泥中含有有毒物质,如汞和铅等等,直接倒入大海会污染周围数百英里海域。有些淤泥与随着洋流飘荡,直到沉积于附近的生态系统。瑞典皇家科学院的一项早期研究预测,每艘矿船每天将释放约200万立方英尺的排放物,足以填满一列16英里长的货运列车。即便如此,文章作者仍称之为“保守估计”,其他的预测结果是这项研究的三倍之多。但无论以何种方式预测,作者最后总结称:“未来将有很大一片区域被这些沉积物覆盖,以至于很多动物无法应对沉积物带来的影响,而整片群落也将因个体和物种的流失而受到严重影响。”

在2019年的ISA会议上,各国代表们聚集于此审查采矿准则。官员们希望文件能在2020年获得批准并执行。在一个温暖惬意的早晨,我(本文作者)飞往牙买加观摩这场会议进程。抵达时,我发现会议中心,代表们人头攒动。穿过迷宫般的走廊,一位工作人员带我会见了ISA秘书长迈克尔·洛奇(Michael Lodge),一名年过半百的英国男士,外表精干,短发,笑容和蔼亲切。他向我挥手示意我落座。在一排俯瞰港口的窗户边,我们开始讨论采矿准则,准则允许和禁止的事项,以及联合国为什么准备动员史上最大规模的采矿作业。

探索超深渊带

一直以来,海洋生物学家对深海关注极少。他们认为海底的崎岖丘陵和峭壁几乎寸草不生。地球上传统的生命形式有赖于光合作用:陆地和浅水中的植物借助阳光蓬勃生长,这些植物又供养大大小小的生物,从整个食物链到主日大餐。因此,我们可以说,地球上一切动物的生存皆依赖植物吸收的太阳能。但由于海平面以下几百英尺即已不见任何植物,且没有阳光,人们自然认为,在深海之下,一个繁荣的生态系统可能性几乎为零。或许偶有有机残骸浮于海面,但也只能维持极少数生命力顽强的水上漂浮物。

直到1977年,两名海洋学家乘坐水下工具开始探索太平洋海底,这一认识被彻底颠覆。在探索加拉帕戈斯群岛附近的一系列水下山脉时,他们发现一处约8000英尺深的深海热泉。尽管地质学家们理论上认为这样的深海热泉可能存在,但此前从未有人亲眼见证过。这两名海洋学家进而在泉口周围有了更加惊人的发现:大量动物聚集在热泉口周围。它们不是人们一直以来想象的深海拾荒者,孱弱渺小;相反,这其中有巨大的蛤蜊,紫色章鱼,白螃蟹和体长10英尺的管蠕虫,它们的食物链并非始于植物,而是热泉水中涌出的有机化学物质。

对生物学家来说,这一切不仅代表着好奇。这一发现几乎撼动了他们整个领域的基础。假如缺乏植物的环境也能孕育复杂生态系统,那么进化就不再只是一个生态学范畴的问题。生命可能出现在完全漆黑一片、季度高温、有毒物质肆虐的环境中——一个可能灭绝地球上所有已知生物的环境。“这是一次真正的发现,”进化生物学家蒂莫西·尚克(Timothy Shank)说,“它改变了我们对生物界限的认识。现在我们可以推测,木星卫星上的甲烷湖也能孕育生命,而且毫无疑问,其他行星上也可能存在生命。”

那天冬天,尚克12岁,仍是北卡罗来纳州的一个书呆子。年幼时的太空探索梦想彼时已渐渐抛却脑后,但是深海热泉附近发现的富饶生命给海洋学带来的无限可能,足以满足尚克的无尽想象。完成海洋生物学学位后,尚克接着取得了生态与进化博士学位。他大量阅读全球科学家发表的论文,均与发现的充满未知物种的新泉口有关。所有这些泉口都位于海底——最深的已知泉口位于海底三英里下,而另一种被称为“海底冷泉”的地质特征,让生命在比海底更深的化学池里繁衍生长。没人知道在更深处是否还有未知的温泉或冷泉,但尚克决定穷极一生研究目前地球上已知的最深水域。

科学家根据深度将海洋分为五层。最接近海面的是“光合作用带”,这里植物繁茂;接下来是“暮色带”,黑暗降临的区域;再往下是“深层带”,生活在这里的生物有些可以自发光;再接下来是冰冻平原“深渊带”。过去半个多世纪以来,海洋学家已经借助水下工具探索过上述四个海层,仅剩下最后一个难以触及的——“超深渊带”,它的英文名称“hadal zone”以古希腊神话中冥界之王哈迪斯(Hades)命名。超深渊带包含海平面6000米(或20000英尺)以下的所有水域。超深渊带因其深度,往往涉及各种海沟,但也有一些深海平原的断面在超深渊带之内。

深海平原同时富含多金属结石矿,探险家们早在150多年前就已经率先发现了这些矿藏。矿业公司认为,结石矿比其他海底矿藏更容易开采。但是为了从深海热泉或海底山体中开采金属,他们必须先震碎岩石,方法类似陆地上的开采。结石矿是位于海底的孤立岩石,小似高尔夫球,大如西柚,可以较为容易地从沉淀物中提取。结石矿富含多种矿物质。虽然热泉和山体内不乏金银之类的贵金属,但结石矿中的主要金属仍旧是铜、锰、镍和钴等等——都是现代电池中的重要材料。iPhone、笔记本和电动汽车的普及大大刺激市场对这类金属的需求,很多人因此相信结石矿是人类从化石燃料走向电池动力的关键。

ISA颁发的结石矿开采许可证也多于其他海底矿藏开采许可证。这些许可证大多授权承包商开采单个深海平原。比如克拉里昂-克利珀顿区(CCZ),从夏威夷绵延至墨西哥,总面积达到170万平方英里,比美国大陆还宽。采矿准则通过后,十几家公司将加速他们在CCZ的勘探,直至工业规模的开采。他们的船只和机器人将使用真空管从海底吸取结石矿和沉积物,剥离出金属矿物后再将残渣倒入大海。这类残渣沉积物将覆盖多少生态系统,我们难以预测。洋流在速度和方向上有规律地波动,因此相同的淤泥卷流会涌向不同的方向,移动的距离和时间也不尽相同。沉积物卷流的影响还取决于它们的释放方式。靠近海面倾倒的淤泥会比倾倒至海底的漂流地更远。流通的采矿准则草案并没有规定倾倒的深度。ISA认可的一项估计是,靠近海面倾倒的淤泥会自倾倒点漂流62英里以上,然而多数专家认为实际漂流距离更远。绿色和平(Greenpeace)组织编撰的学术研究最新调查认为,采矿废物“可能传播数百乃至数千公里”。

和许多深海平原一样,CCZ的断面也位于超深渊带。CCZ的东部边界为超深渊海沟。没有人可以确定,采矿沉积物不会漂移到超深渊带。蒂莫西·尚克眼下在麻省伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)担任超深渊研究项目的负责人,研究深海已有三十多年。2014年,他带领一支国际考察团完成了对原始生态系统的首次系统性研究。经验丰富如尚克者,仍不清楚采矿沉积物会对超深渊带造成何种影响,因为他对超深渊带包含的生物仍旧一无所知。人类对深海所知究竟多么有限,深海研究究竟多困难,以及行业超前于科技之前会带来哪些危害,如果你对这些问题感兴趣,那么尚克的研究是一个非常合适的起点。

十年筹备,功亏一篑

我与尚克相识于七年前。那时候,他正在组织国际调查团研究超深渊带。他制定了一项三年计划,来探索每一个海沟:用机器人设备下水探索海沟特征,记录每一个地形轮廓,并收集其中的样本。这个想法要么精彩绝伦要么天方夜谭;究竟是哪一种我无法确定。光是测量浅水区的海床已经让科学家们苦恼不已。一个多世纪以来,他们使用绳索和链条以及声学仪器记录海底深度,但全球仍有85%的海底尚未测绘——超深渊带则比其他区域更难测绘,因为这里几乎不可见。

现代工具之发达依旧无法穿透最深的海洋,如果这让你感到惊讶的话,请想象以下在海面下6-7英里处航行的画面。每33英尺的深度会增加一个标准大气压。也就是,当你处于海面下66英尺的地方,你将要承受三倍于陆地的大气压力,若是海面下300英尺的话,那就是10个标准大气压。生活在加拉帕戈斯群岛海底热泉口附近的管蠕虫承受着大约250个标准大气压,而CCZ的采矿工具须承受的压力是管蠕虫的两倍多,但仍不及在最深处海沟所需承受之压力的一半。

开发一款能在36000英尺的水下运作的工具——意味着每平方英尺承受近200万磅压力仍完好无损正常工作,其工程量无异于星际项目。打个比方,制造火星漫游车也比这个任务简单得多。想象一下,你拿着大铁锤从任意角度一次或多次捶打iPhone外壳,但外壳仍旧完好无损;或者再举一个更直观的事实,已经成功登陆月球的人类却鲜有抵达地球最深处的马里亚纳海沟。

1960年,有两人使用美国海军的精巧装置,首次尝试海底着陆。下降过程中,机器停止工作,开始颤抖。窗户在巨大压力下破裂。着陆时撞击力度太大,扬起团团淤泥,两人呆在海底的整整20分钟里,因为淤泥的缘故,什么都看不清。50年后的2012年,电影导演詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)才又重新开启了他们的冒险。一向高调的亿万富翁理查德·布兰森(Richard Branson)曾计划用外形酷似战斗机的卡通飞行器潜入马里亚纳海沟深入。与不靠谱的布兰森相反,卡梅隆精通海洋科学和工程学。他深入参与水下工具的设计,贡献了不少天才创新,比如可以在不同海洋深度保持浮性的新型泡沫。即便如此,他的船只在下降过程中剧烈晃动且被海水压到变形。最后,勉强着陆后,卡梅隆花了数小时间收集样本,在发现液压油泄露进窗户导致机械臂失灵、右侧推进器熄灭后,不得不提前返回海面,取消进一步的下潜计划。这艘破损的潜水艇后来被捐赠给了伍兹霍尔研究所。

▲马里亚纳海沟的3-D建模图

最近一次探索马里亚纳海沟的冒险于去年春季完成,发起人是一名叫维克托·维斯科沃(Victor Vescovo)的私募股权投资人。他花4800万美元购置了一艘比卡梅隆那艘更精密复杂的潜水艇。维斯科沃打算登陆世界上最深的五个海沟,他把这次的个人冒险项目成为“五个深渊”(Five Deeps)。他得以成功完成冒险,多次潜入马里亚纳海沟深处——若他的成就代表了超深渊探索的突破,那么人们也不该忘记,海底深渊的探索仍遥不可及:只有意志坚定的富豪、好莱坞红人以及特殊军事项目才有可能访问这片神秘区域,即便如此,每次尝试也只能分别于指定位置着陆,对我们了解该片其余的深渊环境并无多大帮助。该片区域包括33个海沟和13个被称为“深海漕”的较浅地层。总的地理面积近约为澳大利亚面积的三分之二。就其规模,这片区域也是整个地球上人类了解最少的生态系统。

在没有工具探索超深渊带时,科学家们不得不使用原始方法。一个近百年来几乎鲜有变化的最常见技术:探索船只航行数百英里以找到一个精确位置,然后放下陷阱,等待数小时后,捞起陷阱查看最终收获。这种办法的局限性不言而喻。就好比在飞机下悬挂一个鸟笼,然后在36000英尺高空从非洲大陆上空飞过,最后再试图从鸟笼中捕捉到的昆虫身上发现大草原上的动物的蛛丝马迹。

说了这么多,我只是想告诉大家,尚克打算探索世界上每一条海沟的计划大胆且荒谬。但是他有一支由全球一流专家组成的团队,也有足够的船时应付庞大的任务,并花了十年时间来设计出用于深海探索的最先进机器人工具。机器人工具以海神涅柔斯(Nereus)之名命名。它可以独自下潜到海底,在岩石峭壁间规划路线,用多普勒扫描仪测量海底轮廓,用高清摄像头录制视频,并收集样本;或者它可以通过光缆与船舶相连,这样尚克就可以在船舶控制室的电脑上观察涅柔斯的活动,推动推进器改变机器的路线,用前照灯窥探黑暗,并操纵机械爪收集海底样本。

2013年,探险开始前几个月,我再度联系上尚克,告诉他我希望跟踪报道这个项目。尚克同意让我在后方参与项目。2014年尚克的船队出发后,我在网上跟随船队路线,他们正在太平洋上探索克马德克海沟(Kermadec Trench),尚克正打算将涅柔斯送入海底执行一系列任何。第一次,机器先是下降到6000米深度,超深渊带的上边界;第二次,机器下潜到7000米深度;第三次,8000米;第四次9000米。尚克知道,下潜到1万米是一个关键阙值。这是地球深度的最后1000米:目前已知的海沟深度均不超过11000米。为纪念这最后一次的深度增加以及庆祝项目的成功开端,他给涅柔斯戴上一对银手镯,打算在回家后把这对具有纪念意义的手镯送给自己的两个女儿。然后,他把机器人投入水中,接着回到控制室观察机器人的活动。

随着涅柔斯一路下潜,屏幕上的蓝色海水跟着变成黑色,机器人的前照灯让水中悬浮的残骸现出原形。还差10米就完成10000米下潜深度之际,屏幕突然一片漆黑。控制室内一片寂静,呼吸声清晰可辨,但所有人依旧沉着冷静。下潜过程中丢失视频源相对常见。许是光纤断裂,或者软件出现故障,但不管是什么情况,涅柔斯的程序可以应对紧急情况。它可以自己摆脱困境,减少自重,自己返回水面,并发送蜂鸣声帮助尚克的团队找到机器。

几分钟过去了,尚克等待着机器自启动紧急应对措施,但什么都没有发送。“没有声音,没有内爆,也没有铃声,”他后来告诉我,“只有……一片漆黑。”他整夜在甲板上走来走去,盯着漆黑海面寻找涅柔斯的踪迹。第二天,他终于在海面上看到一些残骸。当他看着残骸一点一点浮出水面,他的心却在一点一点下沉。十年的计划、1400万美元的机器人、一整个国际专家团队——仿佛在超深渊的厚重压力下是那么不堪一击。

两年后,当我们站在另一艘船的甲板上,距离麻省海岸100英里外,准备释放新的机器人时,尚克告诉我说:“我仍对此耿耿于怀。”新的机器人跟涅柔斯无法相提并论。它是由金属和塑料制造的直线型方块,5英尺高、3英尺宽、9英尺长。顶部红色,底部银色,后方有三个风扇,若不注意,人们可能会误以为它是小孩子扔在后院的太空飞船玩具。尚克对新的机器人是否可以完成超深渊探索并不抱有幻想。自从涅柔斯“夭折”后,世上已然再无可以穿越最深海沟的工具——卡梅隆的机器已经退役,布兰森的根本不可行,维斯科沃的还没开始建造。

不过尚克的新机器人也不是没有新的亮点。它的导航系统比涅柔斯的更先进,尚克希望它可以在海沟环境里以更高的精确度活动。但机器人的机身并非为承受超深渊压力而设计。事实上,这个大盒子还从未下潜到海面几十英尺以下。尚克心里也明白,打造一个可以承受海沟底部压力的机器需要数年时间。两年前,看似开启深海科学领域新纪元的努力,最终却以堂吉诃德式悲剧收场。五十知天命的尚克此时不禁在想,再用十年去追逐一个愈来愈遥不可及的梦想是否现实。但是一直以来支撑他的直觉从未改变。尚克相信,探索这些海沟一定会成为有史以来最伟大的发现:一个神秘的生态系统,孕育无数未知生命。

“如果说这些海沟里面没有热泉和冷泉,我不信,”2016年我们在水面上忙碌时他跟我说