在深海的某些地方，海底散布着如棒球大小的岩石，这些可能是数百万年来积累的矿物宝藏。中太平洋有个一个区域，被称为克拉里昂-克利珀顿断裂带（CCFZ），据估计此处储藏着大量被称为“多金属结核”的镍和钴矿石——通常在陆地上开采这些矿物，它们广泛被用于生产电动汽车、笔记本电脑、以及移动电话。

随着市场对这类电池需求的增长，人类正致力于在海洋中开采这些富含矿物的结核区域。这种深海采矿需要将拖拉机大小的采矿设备送下深海，将富含矿藏的结核吸上来并将其送至地表，然后有船只会来清理出有用的部分，最后将不需要的沉积物排回海中。但是，这种深海采矿方法相较于传统的地面采矿方法带来的负面影响还尚未明确，如排放沉积物对海洋生态系统的影响。

因此，MIT斯克里普斯海洋研究所以及来自其他地方的海洋学家首次联合在海上进行了一项实验，以研究采矿船可能释放的沉积羽流。根据实验者们的观察，他们开发了一个模型能够实际预测由海洋采矿产生的沉积羽流如何在海洋中运动变化。

该模型预测了各种海洋和采矿条件下沉积羽流的大小、浓度和演变。研究人员说，生物学家和环境监管者现在可以利用这些预测来判断这些羽流是否会影响周围的海洋生物，以及影响程度如何。

麻省理工学院机械工程教授托马斯·皮科克说：“关于深海采矿对环境的影响有很多猜测。”。“我们的研究是首例针对这些中层羽流，可以为未来两年的国际讨论和法规制定做出重大贡献。”

该小组的研究发表在今天的《自然通讯：地球与环境》上。

目前设想的深海采矿方法预计将在海洋中产生两种类型的沉积羽流：“采集器羽流”，是由采矿船在4500米深海收集结核产生的；还有可能产生的“中层羽流”，是通过位于海面1000米或更深地方的管道排放到海洋的无光区，那里阳光很少穿透。

在他们的新研究中，皮科克和他的同事们将重点放在了中层水域的羽流上，以及一旦从管道中排出，沉积物将如何扩散。

麻省理工学院环境动力学实验室主任皮科克说：“这种情况下羽流动力学的科学是有充分根据的，我们的目标是明确建立这种羽流的动力学机制，以便为后续讨论提供适当的信息依据。”。

为了确定这些动力学特征，团队出海了。2018年，研究人员登上研究船Sally Ride，驶离南加州海岸50公里。他们带来了设计用于在海面下60米处排放沉积物的设备。

皮科克说：“利用流体动力学的基本科学原理，我们设计了该系统，使其完全重现大规模的羽流，而无需下潜到1000米或航行几天到达中央控制区的中部。”。

在一周多的时间里，研究小组总共进行了六次羽流实验，实验使用新型传感器系统，如Scripps科学家开发的相控阵多普勒声纳（PADS）和爱普西洛流量计，来监测羽流的移动位置以及它们的形状和浓度如何演变。收集的数据显示，最初从管道中抽出的沉积物是一团高度湍流的悬浮颗粒云，与周围的海水迅速混合。

皮科克说：“有人推测，这些沉积物会在羽流中形成大团聚体，相对较快地沉降到深海。”。“但我们发现，水流湍急，将沉积物分解成最细的组成部分，然后迅速稀释，沉积物就没有机会粘在一起了。”

该团队此前开发了一个模型，用于预测排放到海洋中的羽流的动力学。当他们将实验的初始条件输入到模型中时，产生了与团队在海上观察到的相同的结果，证明该模型能够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海洋动力学模拟提供正确的输入数据，以了解洋流能将最初释放的羽流带多远。

皮科克说：“在商业运营中，船舶总是在排放新的沉积物。但与此同时，海洋的背景湍流总是在混合东西。因此，可以达到一种平衡。海洋中发生的自然稀释过程决定了这些羽流的规模。”。“确定羽流范围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。”

根据他们的发现，研究人员开发出了根据给定环境阈值计算羽流规模的公式。例如，如果监管机构确定某一浓度的沉积物可能对周围的海洋生物有害，那么可以使用该公式来计算高于该浓度的羽流会延伸多远，以及在20年的结核采矿作业过程中会影响多少体积的海水。

皮科克说：“围绕深海采矿的环境问题的核心是沉积羽流的范围。”。“这是一个多尺度分析的问题，从微米尺度的沉积物到湍流，再到数千公里的洋流。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。”

该小组目前正在研究采集器羽流，他们在海上停留数周，最近刚返回。他们对40多年来深海中的结核采矿船进行了首次环境监测。

这项研究目前得到了MIT环境解决方案计划、UC Ship Time Program、 MIT Policy Lab、施密特家庭基金会的”the 11th Hour Project”、the Benioff Ocean Initiative和Fundacion Bancaria“La Caixa”的支持。

来源：MIT News Office, 2021年7月27日 

翻译校对：赖祯松