与深海采矿相关的沉积物羽流将会发生什么?

2021年7月31日

根据他们的观察,他们开发了一个模型,可以对采矿作业产生的沉积物羽流如何在海洋中运输做出现实的预测。但是,深海采矿的影响——例如排放的沉积物对海洋生态系统的影响,以及这些影响与传统的陆地采矿相比如何——目前尚不清楚。皮科克说:“有人猜测,这些沉积物会在羽状物中形成大量的聚集物,并相对较快地沉降到深海。”在海洋中发生的一个自然稀释过程决定了这些羽流的规模,”Peacock说。“围绕深海采矿的环境问题的核心是沉积物羽流的程度,”Peacock说。

Peacock在麻省理工学院的合著者包括首席作者Carlos Muñoz-Royo、Raphael Ouillon、Chinmay Kulkarni、Patrick Haley、Chris Mirabito、Rohit Supekar、Andrew Rzeznik、Eric Adams、Cindy Wang和Pierre Lermusiaux,以及Scripps的合作者、美国地质调查局、比利时和韩国的研究人员。

“关于(深海采矿)对环境的影响有很多猜测,”麻省理工学院(MIT)机械工程教授托马斯•皮科克(Thomas Peacock)表示。“我们的研究是对这些中层水羽状物的首次同类研究,可能会在未来两年为国际讨论和法规的制定做出重要贡献。”

该模型预测了不同海洋和采矿条件下沉积物羽流的大小、浓度和演化。研究人员说,这些预测现在可以被生物学家和环境监管机构用来衡量这些羽流是否以及在多大程度上影响周围的海洋生物。

现在,麻省理工学院、斯克里普斯海洋研究所和其他地方的海洋学家首次在海上进行了一项实验,研究采矿船可能释放回海洋的紊流沉积物羽流。根据他们的观察,他们开发了一个模型,可以对采矿作业产生的沉积物羽流如何在海洋中运输做出现实的预测。

随着对这些电池需求的增加,人们开始努力在海洋中开采这些富含矿物质的结核。这种深海采矿计划建议使用拖拉机大小的车辆,将结核抽真空,并将它们送到海面,在那里,一艘轮船将它们清理干净,并将任何不需要的沉积物排放回海洋。但是,深海采矿的影响——例如排放的沉积物对海洋生态系统的影响,以及这些影响与传统的陆地采矿相比如何——目前尚不清楚。

在深海的某些地方,散布在海底,有棒球大小的岩石,由数百万年积累的矿物质分层而成。太平洋中部的一个区域,称为号角大学断裂带(CCFZ),估计包含这些岩石的储量丰富,被称为“多金属结核,”富含镍和钴矿物,通常开采土地用于生产锂离子电池在电动汽车、笔记本电脑和移动电话。

大海

目前的深海采矿提议预计将在海洋中产生两种类型的沉积物羽流:一种是“收集器羽流”,这是交通工具在海底4500米以下开车收集结核时产生的;还有可能是“中水羽流”,这些羽流通过管道排出,管道下潜1000米以上,进入阳光很少穿透的海洋光带。

在他们的新研究中,皮科克和他的同事专注于水中的羽流,以及沉淀物从管道排出后如何分散。

麻省理工学院环境动力学实验室主任皮科克说:“这种情况下的羽流动力学科学是有根据的,我们的目标是清楚地建立羽流的动态机制,以便为讨论提供适当的信息。”

为了确定这些动态,团队出海了。2018年,研究人员登上了研究船萨莉·莱德(Sally Ride),在距离南加州海岸50公里的地方起航。他们带来了设备,旨在排出海平面以下60米的沉积物。

Peacock说:“利用流体动力学的基本科学原理,我们设计的系统完全再现了商业规模的羽流,而无需下潜1000米或出海数天到CCFZ的中部。”

在一周多的时间里,该团队进行了总共六次羽流实验,使用了新型传感器系统,如由斯克里普斯科学家开发的相控阵多普勒声纳(PADS)和epsilometer来监测羽流的移动方向以及它们在形状和浓度上的演变。收集到的数据显示,最初从管道中泵出的沉积物是一团高度动荡的悬浮颗粒云,它们与周围的海水迅速混合。

皮科克说:“有人猜测,这些沉积物会在羽状物中形成大量的聚集物,并相对较快地沉降到深海。”“但我们发现,水流非常湍急,把沉积物分解成最细小的组成部分,然后很快稀释,沉积物就没有机会粘在一起了。”

稀释

该团队之前开发了一个模型来预测将被排放到海洋中的羽流的动力学。当他们把实验的初始条件输入到模型中,它产生了与团队在海上观察到的相同的行为,证明了模型可以准确预测排放附近的羽流动力学。

研究人员利用这些结果为模拟海洋动力学提供了正确的输入,以观察洋流会携带最初释放的羽流走多远。

“在商业操作中,这艘船总是在排放新的沉积物。但与此同时,海洋的背景湍流总是把东西混合在一起。所以你达到了一种平衡。在海洋中发生的一个自然稀释过程决定了这些羽流的规模,”Peacock说。“决定羽流程度的关键是海洋湍流的强度、排出的沉积物量,以及产生影响的环境阈值水平。”

基于他们的发现,研究人员开发了公式,根据给定的环境阈值来计算烟羽的规模。例如,如果监管机构确定,一定浓度的沉积物可能损害周围的海洋生物,公式可以用来计算一个羽多远高于浓度将延长,和海水的体积将会影响在结节采矿工作20年。

“围绕深海采矿的环境问题的核心是沉积物羽流的程度,”Peacock说。“这是一个多尺度的问题,从微米级的沉积物,到湍流,再到数千公里长的洋流。这是一个巨大的拼图游戏,我们有独特的能力来解决这个问题,并提供基于科学和数据的答案。”

该团队目前正在研究收集羽流,最近他们从海上回来,对40多年来深海中的结核收集器进行了首次环境监测。

这项研究得到了麻省理工学院环境解决方案计划、加州大学船舶时间计划、麻省理工学院政策实验室、施密特家族基金会的第11小时项目、贝尼奥夫海洋计划和Fundación Bancaria“la Caixa”的部分支持。

这条消息的来源是麻省理工学院

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