中日探勘太平洋深海稀土互別苗頭│魏國彥

中日探勘太平洋深海稀土互別苗頭│魏國彥

聯合國附屬的「國際海床管理委員會」(International Seabed Authority, ISA)近日宣布,將於今年7月9日起,受理各國企業深海採礦的申請。日本自2013年在北太平洋南鳥島海域發現高含量稀土元素海底泥後,經過十年的研發準備,已於2022年底發布訊息,將大力進行海底礦產開發,挖掘水深5,000-6,000公尺的深海泥,提取其中的稀土元素,其終極目標是能夠自產稀土,擺脫對中國的依賴。中國方面也於近年相繼在北太平洋發現三個稀土富集的區域,似有後來居上之勢。

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中國具生產與出口優勢

2023年3月底,中國工業和信息化部(簡稱工信部)與國土資源部共同下達2023年第一批稀土開採、冶煉分離總量控制指標,分別為12萬噸與11.5萬噸,分配給中國稀土集團公司、中國北方稀土(集團)高科技公司、厦門鎢業公司、廣東省稀土產業集團公司。由這些數字可透露出中國陸地上的稀土礦產量及背後控管的機制。

過去30年來,中國的稀土礦產量在全球一枝獨秀,從1994年年產約3萬噸,一路飆升到2010年的13萬噸。當年因與日本發生齟齬以致限制對外出口,2011年全球稀土價格大動盪,各類稀土價格翻漲3-12倍,引來美、日、歐盟在2012年聯手向世貿組織(WTO)提告。WTO 2014年裁定,中國限制稀土出口違反國際貿易規則,迫使中國在2015年取消稀土出口配額制。

中國大陸今年首批核准開採12萬公噸,後續將視國際情勢與市場供需再機動發布新的准許量。最近美日荷三國發布晶片出口限制協定,中國代表在WTO貨物貿易理事會4月3日至4日的會議上提出關切,並詢問這三個WTO成員:「該協定是否存在?如果存在的話,是否應該通知WTO成員,並由該組織成員審查?」估計中國將視WTO貨貿理事會的回應,考慮是否管制稀土與磁鐵技術出口。

考量未來新科技發展所需,以及中國加強對稀土元素出產與出口的控制,2013年起學者已預告稀土與鈷、鋰、碲、鎳等金屬礦,將成為「關鍵性原物料」,歐盟也於2017年起將之列入關鍵性材料清單。

2022年底,日本宣布,為了擺脫在稀土上對中國大陸的依賴,決定2024年開始在位於太平洋的珊瑚礁南鳥島(Minami Torishima)(見圖1)附近海域開採稀土。南鳥島面積僅1.52平方公里,位於北緯24°18’,東經153°58’,為日本最東端的領土,隸屬東京都管轄,距東京1,848公里遠。因為日本擁有南鳥島的主權,故將依據國際海洋法相關規定,在其「專屬經濟區」內進行開發,水深5千至6千公尺,開採面積約為3,000平方公里。日本曾樂觀估計,因為該區域海底底泥稀土元素含量豐富,3平方公里10公尺厚度軟泥的3萬公噸藏量,就足夠日本一年所需;也就是說,這個礦區可提供日本稀土數百年所需。

稀土元素共有17

目前各單位認定的稀土元素共有17種,主要是基於它們有相近似的物理與化學性質。狹義的稀土元素(REE)指的是化學週期表第6排的鑭系15個元素(原子序57- 71),它們的名稱詰屈聱牙,一般文獻中很少提到,其中又分為輕、重兩群,分別為輕型稀土8種,包括鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、Pm、 釤Sm、銪Eu、釓Gd;重型稀土元素8種:釔Y、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、鎦Lu。其中因為釔Y元素與鑭系元素又有些基本差異,有時也不列入稀土,因此有些研究文獻中還特別將釔(yttrium)另外標示,而以REE+Y統稱之,簡記為REY。此外,廣義的稀土元素另外包含化學週期表上,屬於過渡元素第三族的鈧Sc,原子序為21。

因為稀土元素同屬於化學週期表第Ⅲ副族,它們的原子結構很相似,而其中的15種鑭系元素的最外層電子軌道完全一樣,區別僅在於次表層的電子。鑭系稀土元素在岩漿活動中經常成群結隊,但在不同的壓力溫度環境下會發生分化,因此在地質研究中具有「示蹤劑」的意義,火成岩可依據稀土元素的profile而分類,礦床學的研究也深具意義,但早年的研究多側重於它們地球化學的意義,直到近年,才開發出各種科技新產品的材料用途。

稀土元素的磁性與光學特性,使他們成為炙手可熱的新材料,例如,含有稀土的「銣─鐵─硼磁鐵」,就是電動車與風力發電機不可或缺的關鍵元件,是人類發展碳中和等綠色科技的必要元素。另方面,稀土也被用於多種高科技產品,包括智慧型手機、油電混合動力汽車、純電動汽車、風力發電機用磁鐵、發光二極體的螢光材料,甚至高科技武器等。它們在各種合金中所需的量不多,但又特別關鍵,被視為「工業維生素」。

深海稀土礦有兩種產狀

太平洋的深海稀土礦基本上有兩種產狀,一種是富含於「多金屬結核」(polymetallic nodules)之中;另一種是藏身於深海軟泥。「多金屬結核」礦石也富含鈷、銅、鎳和錳等礦物,都是製造電池的關鍵材料,開採它們將一舉數得。這類礦石大量蘊藏在夏威夷和墨西哥之間的北太平洋克拉里恩-克利珀頓地區(Clarion-Clipperton Zone),面積約450萬平方公里(圖2中的藍色區域)。ISA對此區管理甚久,已與21個開發機構訂立開發契約,開發目標包括多金屬結核、多金屬硫化物、以及鈷鐵錳殼等各種產狀的金屬礦。整個克拉里恩-克利珀頓區分有研究開發區、保留區及12個保護禁採區(APEIs)。估計類似的管理架構與規格,也會應用在新近發現的海底軟泥礦區。ISA規定有意開採的國家/機構須提出2個等值開採地點,並將其一交由ISA,且在10至20年後,轉移當時使用的採礦技術給其他國家。這個規定受到部分先進國家反對,因而拒絕簽署《聯合國海洋法公約》1982年的初步協定。

富含REY的深海軟泥分布在太平洋的深海平原,可分為四大區:西太平洋區、中太平洋區、東太平洋區與南太平洋區(見圖2中的黃色區域),其中又以西太平洋區的含量最高,稀土總濃度ΣREY在700-7,974 ppm之間,南太平洋區次之(700-4,662 ppm),東太平洋區更次 (700-2,738 ppm),中太平洋區最次(700-1,732 ppm),而中國南方陸地上的稀土礦其總濃度有60 ppm,就達經濟上可開採的品位,可見這些深海底泥的稀土富集度超高。由於深海海床礦藏的水深深度一般超過5千公尺,海底探查需要較昂貴的探勘資金,也需要特殊的科技設備,而科技實力與資源只掌握在少數國家手上。在太平洋地區,目前中、日最具實力,公開發表的文獻也以這兩國為主。

日本的深海研究

日本的研究者主要集中在幾個海洋科技集中的重鎮:東京大學、千葉工業研究院及日本海洋科技中心(JAMESTEC)。日本學者在2011年拔得頭籌,在西北太平洋的南鳥島南方海域,發現稀土富集的海底軟泥,其濃度是中國陸上稀土礦的20-30倍,分布面積廣大,有學者估計若能順利開採可供應日本230年所需。

日本研究集中在西太平洋的南鳥島附近,先在2013年確定該處的REY濃度奇高,2018年早稻田大學講師高谷雄太郎(Yutaro Takaya)等人在英國網路期刊《科學報導》發表蘊藏量評估,在105平方公里的範圍內,約10公尺厚的海底沈積物中,富藏有120萬公噸稀土氧化物,能供應全球釔(Y)、銪(Eu)、鋱(Tb)、鏑(Dy) 等稀土元素62、47、32 及56年所需。這些元素在高科技發展中特別重要,例如:釔用於雷射,鏑用於製造電動車的磁鐵。該研究並發現,稀土元素特別集中於生物性磷酸鈣中(多為魚齒化石),屬於沈積物中粗顆粒的部分,ΣREY甚至高達22,000 ppm。此外,日本團隊也發現南太平洋的富集區。

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中國的深海研究

由公開的文獻來看,大陸的主要研究機構為中山大學、國土資源部下位於青島的海洋一所與杭州的海洋二所、廣州海洋地質調查局,以及2019年新成立的南方海洋科學與工程廣東省實驗室等機構。研究區域除太平洋外,也擴及於印度洋。參加的海洋研究船有廣州海洋地質調查局的海洋6號、青島海洋一所的向陽紅1號等,在深海平原打3至8米長的岩芯,以及30-40公分深的箱型岩芯。海床底泥以遠洋矽質黏土為主要成分,沈積速率很低,每千年小於0.3公分。

研究除了探尋高含量的稀土分布位置外,也特別著墨於稀土元素的來源、溶解、富集等地球化學過程,找出背後的機制,將構成後續的探勘戰略指導原則,以及向ISA申請探勘區的思路依據。從近年公開發表的文獻來看,廣州海洋地質調查局的海洋研究船扮演了重要角色,位於廣東的海洋及地質研究單位也成為研究主力。

台灣應投入海洋探勘

近年來台灣從大陸等地進口稀土原料及相關製品,並有小規模冶煉與製成品。中鋼是上游的領頭羊,內部有一條約年產百噸的釹鐵硼磁鐵生產線。除了馬達需要的稀土永磁磁鐵之外,稀土也應用到被動元件的陶瓷材料、LED的螢光粉等高科技產品,台灣有十幾家公司投入,從事稀土提煉、精煉,以及下游的產品應用,也有公司發展回收技術,產業鏈隱約成型。近五年,台灣的遠洋航行與探勘能力已建置起來,其實可以考慮進軍西太平洋公海,進行深海底泥的探勘,進而成立公司,向ISA申請開發權。未來若能自行開發,掌握礦源,在全球稀土供應鏈上才能獨立自主,甚而創造出更多利基。

(作者係台大地質科學系退休教授、逢甲大學創能學院講座教授)

附加資訊

  • 作者: 魏國彥
  • pages: 50
  • 標題: 中日探勘太平洋深海稀土互別苗頭