為何日本執(zhí)意深海采礦？南鳥島海域富稀土泥資源的潛力評估研究

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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出品 | 海潮天下

2026年1月12日，日本“地球號”（Chikyu）科學鉆探船在南鳥島海域開展的試開采，引起全世界海洋工程界的關注。其實這項任務的核心技術新意不在于“鉆”，而在于如何高效地“吸”。深海稀土泥作為一種新興戰(zhàn)略資源，正成為全球能源轉型的關鍵。海潮天下（Marine Biodiversity）小編在研究過程中讀到了一篇2018年基于日本科研團隊在西太平洋海域的研究，這篇發(fā)表在《科學報告》（Scientific Reports）上的研究，比較深度的剖析了南鳥島海域富稀土泥的資源儲量及其礦物賦存規(guī)律，探討了如何用物理分選技術來實現(xiàn)高效開發(fā)。為助力全球環(huán)境治理、并供我國學者了解有關全球深海治理的重要研究動態(tài)信息，編譯分享論文信息如下，供感興趣的讀者們參閱。

▲上圖：由日本海洋研究開發(fā)機構（JAMSTEC）研發(fā)、搭載于“地球號”（Chikyu）深海鉆探船上的無人探測器，于1月正式投入稀土資源勘探任務。圖源：SIP/JAMSTEC

2018一篇論文，定義太平洋深處的新“寶礦”

2018年4月10日，由高谷雄太郎（Yutaro Takaya）和加藤泰浩（Yasuhiro Kato）領銜的科研團隊，在學術期刊《科學報告》（Scientific Reports）上發(fā)表了一篇關于深海礦產(chǎn)資源的研究成果。這項研究基于對西太平洋海域的長年勘探，詳細披露了日本南鳥島（Minamitorishima Island）專屬經(jīng)濟區(qū)內富稀土泥的分布規(guī)模。研究團隊利用深海研究船“海嶺號”（KAIREI）等船只進行的多個航次采樣，確認了這一海域蘊藏著極其可觀的稀土元素與釔（Yttrium），這類資源也被統(tǒng)稱為REY。

▲上圖：南鳥島（Minamitorishima Island）俯瞰圖。圖源：公域

▲上圖：1943年8月31日，美軍特遣艦隊對南鳥島（當時稱馬庫斯島，Marcus Island）發(fā)動空襲時的航拍影像，此次軍事行動由埃塞克斯號（USS Essex）、約克鎮(zhèn)號（USS Yorktown）和獨立號（USS Independence）三艘航母，以及印第安納號戰(zhàn)列艦、兩艘巡洋艦和十艘驅逐艦共同參與。這張照片捕捉到了島上遭受轟炸的瞬間，由約克鎮(zhèn)號起飛的一架戰(zhàn)機拍攝，現(xiàn)存取于美國國家檔案和記錄管理局。圖源：U.S. Navy（公域圖片）

這篇研究顯示，這片位于深海底部的礦床豐度驚人。

研究人員對573份新分析樣本、以及百余份已有數(shù)據(jù)做了綜合評估，又用地理信息系統(tǒng)（GIS）對約2500平方公里的目標區(qū)域進行了數(shù)字化建模。他們的分析結果顯示，該調查區(qū)的稀土氧化物總量約為1600萬噸，平均濃度為964 ppm。

在垂直分布上，從海底表層到下方10米深的泥層中，稀土濃度隨深度增加呈現(xiàn)出明顯的富集趨勢。在南鳥島南方的一個面積約105平方公里的核心區(qū)塊內，泥樣的平均濃度更是超過了1700 ppm。在某些特定采樣點，5~6米深度區(qū)間的總稀土濃度甚至突破了5600 ppm，最高值接近8000 ppm。

▲上圖：研究區(qū)域的水深地形圖。圖中星號標記了活塞式取樣管（Piston coring）的采樣點位，不同的顏色則對應各次科學考察航次。白色矩形區(qū)域為本次稀土資源儲量估算的重點目標區(qū)。圖中的水深數(shù)據(jù)源自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的ETOPO1數(shù)據(jù)庫，右側局部圖的數(shù)據(jù)則通過各航次的實測獲得。全圖利用通用制圖工具（GMT）軟件繪制而成。論文出處：Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. (2018)

▲上圖：海底表層至下方10米深度區(qū)間內，深海泥中總稀土濃度（ΣREY）的平均值及每1米深度間隔的分布圖。研究目標區(qū)域被劃分為從A1到D6共24個子區(qū)塊。該圖是ArcGIS軟件依2400個網(wǎng)格（60×40比例）計算生成，圖中的白色圓圈表示實際的鉆探采樣點位。論文出處：Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. (2018)

從全球資源戰(zhàn)略的角度來看，這處深海礦床的重稀土含量比例極高。這篇研究表示：在估算的儲量中，釔約為440萬噸，重稀土元素（HREE）約為260萬噸。因此作者估算，僅南鳥島這片區(qū)域的資源量，就足以支撐全球780年的釔需求、620年的銪（Europium）需求、420年的鋱（Terbium）需求以及730年的鏑（Dysprosium）需求。對于極度依賴這類金屬的高科技產(chǎn)業(yè)和可再生能源領域而言，這幾乎被視為一種“半無限”的供應來源。

為了弄清這些稀土元素在泥土中具體的賦存狀態(tài)，研究團隊利用電子探針顯微分析（EPMA）和激光剝蝕電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）對微觀顆粒進行了剖析。

▲上圖：利用電子探針顯微分析（EPMA）與激光剝蝕電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）測得的生物成因磷酸鈣（BCP）顆粒中總稀土濃度（ΣREY）分布圖。論文出處：Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. (2018)

▲上圖：不同粒徑組分中總稀土濃度（ΣREY）、重量分布及稀土總量占比的分析圖。論文出處：Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. (2018)

他們的實驗證實，稀土主要鎖定在一種被稱為生物成因磷酸鈣（Biogenic calcium phosphate）的礦物顆粒中。這些微小的顆粒實際上是數(shù)百萬年前沉積在海底的魚類牙齒和骨骼碎屑。隨著時間的推移，這些生物殘骸與海水及孔隙水持續(xù)發(fā)生化學作用，其內部積聚的稀土濃度最高可達22000 ppm。相比之下，泥漿中普遍存在的鈣十字石（Phillipsite）顆粒，雖然同樣是在沉積速率極低的環(huán)境下形成的，但其內部稀土含量通常低于100 ppm，并不具備資源價值。

這一微觀規(guī)律為大規(guī)模選礦提供了突破口。研究人員發(fā)現(xiàn)，富含稀土的磷酸鈣顆粒在粒徑上通常明顯大于周圍的粘土礦物。通過對不同顆粒等級的篩分實驗，數(shù)據(jù)顯示大部分稀土元素都集中在粒徑大于20微米的組分中。基于這一物理特性，研究團隊引入了工業(yè)級的水旋流分離器（Hydrocyclone separator）進行提純實驗。這種設備依靠離心力原理，能夠高效分離漿料中不同大小和密度的固體。

▲上圖：標準篩粒度分選實驗與水旋流分離器處理獲得的總稀土濃度（ΣREY）富集因子對比圖。富集因子定義為分選后組分（大于20微米組分或沉砂流組分）與原始樣本或礦漿樣本中稀土濃度的比值。圖中灰色、紅色和藍色分別代表原始樣本、沉砂流（Under-flow）組分和溢流（Over-flow）組分的測試數(shù)據(jù)。粉色陰影區(qū)域則標示了基于原始樣本濃度估算的粒度分選預期富集范圍。論文出處：Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. (2018)

該研究顯示，實驗結果證明了這種物理選礦方案的高效性。在對極其富含稀土的泥樣進行處理時，水旋流分離器可以將稀土品位提升至原始樣本的2.6倍，并實現(xiàn)了高達93%的回收率。

更具現(xiàn)實意義的是，這種分離技術能將泥漿的體積減小到原始量的20%以下，并將固體重量削減40%~60%。這意味著在未來的實際開采中，如果能直接在海底完成這種初步的物理分選，將大幅度降低把礦石運往海面的吊裝成本，同時也能顯著壓縮陸地冶煉廠的處理負荷與成本。這項2018年發(fā)表的研究從資源總量上給出了樂觀的結論，被認為是“為深海稀土資源的商業(yè)化利用提供了一套工藝路徑”。

【參考資料】感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements. Sci Rep 8, 5763 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-23948-5

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資訊源 | Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T. et al. (2018)

文 | 王芊佳

編輯 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

日期 | 2026年2月2日

海潮天下

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