【D】第五章海底矿产资源开发技术

第五章海底矿产资源开发技术海洋不仅覆盖地球面积的71%，而且淹没着及其丰富的海底矿产资源。其种类之多、储量之大、品味之高，是陆地同类矿产无法比拟的。在地球上已发现的百余种元素中，有80余种在海洋中存在，其中可提取的有60余种。可以说，海水是巨大的“液体矿床”。此外，已经探明，海底还富集着大量固体矿床，包括多金属结核、铁锰结壳、热液，估计贮量约有3万m3。目前已经开采的石油，有30%来自海洋。[1]海洋石油的产值在海洋经济总产值中名列首位，而海滨与浅海矿砂是目前投入开发的第二大矿种。海洋矿砂品种繁多，已开采的有锡石、锆英石、钛铁矿、磁铁矿、金江石、金、独居石、磷、红柱石等。海底矿产资源中，更大量的是潜在资源，如大洋锰结核、海底热液矿、富钴结壳等。5.1海底矿产资源概述海洋矿产资源主要是指海底油气、多金属结核、海底热液和海滨、浅海中的砂矿资源。5.1.1海底矿产的分类（1）按性质可分为金属矿产、非金属矿产和燃料矿产。（2）按矿产的结构形态可分为沉积物矿（非固结矿）和基岩矿（固结矿）。沉积矿包括海滩矿砂、大陆架沉积矿和深海沉积物矿；基岩矿主要是指海底松软沉积物以下硬岩中的矿藏，包括非固态的石油、天然气和固态的硫磺、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡和重晶石等。[2]（3）按照可持续发展的战略思想及人们的认识和勘探开发程度海洋矿产资源可划分为已开发利用的矿产资源、尚待开发利用的矿产资源、具有潜在开发价值的矿产资源。[3]5.1.2海洋矿产开采的特点由于海洋是一个独立的自然地理单元,决定了海洋矿产开发具有与陆地资源开发所不同的特点。（1）由于深海的极端环境。深海矿产资源都赋存于水深千米的深海底，多金属结核赋予水深5000~6000m的海底表面、富钴结壳生长在水深2000~4000水深的海山上，热液硫化物多赋存与2000~2500m水深的海床。极端环境的表现如下：海水腐蚀；海底无自然光；海洋环境的风、浪、六等构成复杂流场；深海大部分地方处于1℃的低温，而热液口的温度高达近400℃。这样一个复杂超长的极端环境，给深海作业及装备的可靠性和维修更换维修周期等提出许多极高的要求，工作设备要承受高达20~60MPa的巨大水压，海水中电磁波传播衰减严重，其技术开发难度毫不逊色于太空技术。（2）由于海底矿产资源的特殊赋存状态。目前陆地上具有经济开采价值的金属矿产资源，不论是露天开采还是地下开采，基本上都是采用钻孔爆破，有轨、无轨车辆或提升机、皮带输送等方法进行开采。然而，深海底的多金属结核以及直径仅数厘米的结核状赋存于极稀软的海底沉积物表面、富钴结壳以厚度仅数厘米的壳层黏附在地幸福在的海山基岩上、热液硫化物虽然已大块矿床形式存在，但矿床规模都相对较小，沿用陆地上的现有开采技术不具备经济开采价值。因此，深海矿场资源的开采原理、工艺和装备都不能直接移植陆地上已发展成熟的采矿技术。海洋采矿是涉及诸多行业和学科的高技术密集型的系统工程,如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、化学、流体力学等学科和造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产的开发。同样,海洋采矿的发展势必促进这些行业和学科的进一步发展,这就具有重要的战略意义。（3）深海采矿环保限制标准。除与陆地采矿一样有废水废渣的处理外，深海采矿作业中对海底的扰动程度将是一个极为重要的有别于陆地采矿的限制标准，使得深海采矿的技术难度进一步增加。海洋采矿中应注意与其它海洋资源开发之间的关系。它们之间相互促进、相互制约。此外在开采中还要注意保护海洋环境,避免污染和破坏海洋生态平衡,即注意开发和保护之间的矛盾,所以需要精细的管理,以求获得最佳的经济、环境和社会效益的统一。(4)国外实践表明,海洋(深海)矿产开采新技术,从开始研制到投入实际应用,通常需要10～20年的时间,周期较长。如日本从1975～1997年投资10亿美元,研究锰结核的勘探和技术开发,进入试采阶段;美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区的勘探和采矿技术的研究,累计投资15亿美元;印度、英国、意大利等国也经过了长期的研究。可见各发达国家这种长期的投入研究不仅仅是解决国内经济发展的需求,主要是面向未来,是对未来的研究和投资。(5)海洋矿产开发具有国际性的特点。海底矿产资源可能是跨国界或共享的,涉及各有关国家之间的利益,需要国际之间的协调和合作。[4]5.2海底矿产资源勘探方法[5]海底矿产资源的勘探方法分为浅海勘探和深海勘探。深海勘探的对象主要是锰结核矿、热液矿；浅海勘探的对象很多，有石油、煤、铁和各种金属矿砂。勘探方法有直接方法和间接方法。直接方法主要有观测和取样；而间接方法主要有声学探测技术、地球物理方法和地球化学方法5.2.1直接方法5.2.1.1观测及观测海底矿床在海底中的位置，在浅的水域主要靠潜水员进行观测，而在较深的水域要靠载人潜水器进行观测。较常用的直接观测海底的方法是利用照相机和水下电视。目前水下照相机在海洋地质调查中一发展成一种比较完善的工具，在研究海洋矿床方面已被广泛地采用。水下照相机能够连续的的拍摄海底相片，在拍摄过程中使用照相机刚好高于海底的位置上拖曳，同时周期性的被触发。目前已利用各种具有广角镜头并能拍摄数百帧照片的大型静止照相机。德国采用的70mm海底静止照相机，能曝光大约300次。这种照相机由具有能源和电子控制装置的照相机、闪光灯和触发器三部分构成。当粗发起重锤触及海底。它能够自动摄取海底照片。最新的发展是以声呐控制代替机械能触发器并配备自返式取样装置，在拍摄照片后自动返回海面而被回收。但是水下照相的缺陷是不能连续的进行探矿不得不将照相机从海底回收，并且必须等到照片冲出来以后才能获得光宇海床矿床的资料。利用水下电视可以连续的监测海底，并可将观测结果录制成碟永久保留。但由于海底缺少光线以及摄像系统的分辨率不得不以缓慢的速度拖曳，因此在水下电视操作期间所耗费的船时相对较多。5.2.1.2取样采集矿物样品是探查浅海海底及大洋底矿产资源的最基本、也是最重要的手段。主要有以下几种（1）表层取样即采用工具获取还低表面物质样品。常用的取样器有“绳索抓斗取样器”。抓斗下降时都是开口的，当接触海底后即自动抓砂封闭。利用绳索抓斗取样器在海底捞取矿样，由于它灵活机动，不受海水深度限制，海底不平整和粒度大小不均匀都没关系，因而成本低，使用广泛。单只能捞取海底表层的矿样。另外，较常用的还有金属链条货绳索构成的拖斗式货拖网式表层取样器。斗和网都有细孔，可以漏水，它们一般是在深海中用以捞取结核矿、岩块、砾石等样品这种古老而又新颖的取样方法，因其成本低、灵活机动、不受海水深度的限制而使用较广。但所获取样品往往会混在一起，所以仅能用作定性研究，不能定量分析。（2）柱状取样未用各种采样管采取海底以下一定深度的柱状样品。常见的取样管有重力取样管、水绳索抓斗取样器压取样管、活塞取样管。活塞取样管的工作要点是：着底时，活塞的下面通常要紧紧地黏在海底泥土的表面不动，而只让管子完全插入泥土中。上述柱状取样管都需船只停止航行后用用钢缆吊着取样管到达海底取样这种方法既费时，又费事。近年来，国外研制了一种“自动返回沉积物取样器”，又称，“无缆取样器管”。这种取样器用漂浮材料制成，可以携带重物和采泥器或照相机，自由降落到海底，在到达海底并采集样品或对海底照相以后，携带的重物自行脱落，而漂浮材料是采泥器货照相机浮出水面，一旦露出水面，讯号器立即启动，发射无线电信号，使船上的工作人员很容易发现它而取回样品。经试验，在水深1000m处，整个取样过程仅需15min。利用各种类型的取样管一般可获取海底以下几米、十几米、甚至几十米的沉积物柱状样品。据报道，前苏联“勇士”号调查船曾用真空式取样管取得长达34m的柱状样品，而其沉积结构没有受到任何重大的破坏和扰乱。这种采样设备的问世，将过去的单点采样改变为连续采样。（3）钻探取样海上钻探取样和陆上钻探取样的工艺过程相似，也分浅孔钻探和深孔钻探两类。浅孔钻探适用于海底砂层下部矿物的取样，也可用于采集锰结核和海底沉积的柱状样品。金刚石、锡石和砂金由于密度大，都富集在砂层的下部，越接近下部底岩，矿砂就越丰富，所以需要用钻孔提取矿砂层下部的矿样、钻孔深度不等，视砂层厚度而定，由1m到30m以上，钻孔直径由10cm到90cm。在砂层中钻孔速度很快，因而成本也不高。使用的都是空心钻，以便提出岩心，这样取的岩心矿样在质量上有保证，可以做定量分析用。常用的钻探装置有旋转钻，落锤钻，打桩钻，震动钻。（4）深孔钻探对海底坚硬岩层勘探就要用深孔钻探。深孔钻探是最后的钻探手段，费用很高。对于石油、天然气、煤、铁等矿床应先用地球物理方法进行初步勘探，然后才能决定是否需要打钻机，并决定打孔的位置和钻孔的深度。近年来，深孔钻钻技术发展的很快，现在陆地上钻孔最大深度已超过万米，海底钻孔深度则已达6966m。随着水下矿产勘探重要性的日益增长，已出现将观测和取样合并为一个系统的设备。如把水下电视系统与拖网相结合的拖网使用。拖网悬挂在电视机外壳下面，在电视机框架到达海底时，拖网就在海底上取样。用这种方法，在电视观测期间就能够获取样品，保证了取样区就是想要观测的区域。此外深潜技术的发展，是大洋矿产资源的调查勘探出现新的突破。柱状取样载人潜水器可将观测人员送入几千米的水下，利用观察窗或声呐直接观测海底矿物，并利用机械手采集矿物样品。5.2.2间接方法间接方法是在勘探中并不与岩石矿物直接接触，而是利用精度很高的仪器来探测岩石矿物的性质和埋藏深度的勘探方法。如利用声学探测技术中的回声探测仪、旁侧扫描声呐等，利用岩石矿石具有各种不同的物理性质，如密度、容重、磁性、导电性等物理性质，采用地球物理方法等。（1）水声学探测技术利用回声侧探测仪可以了解海底的地形，获取海底图像。还可以利用它测定中层水发射面的存在。如在对红海充满卤水的盆地进行勘探中已经证明回声测深特别有用，他可以观测到深部的卤水和海水之间的密度界面。低频回声测深仪可以穿透沉积物上层，并能准确判定海底地形地貌，如可以显示是否存在海底火山岩。这种火山岩对于采矿作业危害极大，因为采矿作业主要使用海底拖曳工具。侧扫描声纳可以测量精细的海底地形地貌，因此，对海底的砂坡和砂带的探测非常有效，在大洋矿产资源勘探中具有广阔的使用前景。由于锰结核往往富集在小山坡上和起伏不大的海底上，而不是富集在平滑的海底平原上，所以利用远程侧扫描声纳在含锰结核的海底上拖曳，就可以勾划出所勘探的几十公里宽的海底上的不同地形的位置，然后在每个位置上采集回收锰结核样品，已决定丰富的高品位锰结核所需要的最有利的深海环境。因此，利用侧扫描声纳可以发现任意含锰结核地区中的其他的富集区。此外，高分辨率的侧扫描声纳还可以绘出粗糙海底锰结核分布地区的概况。用于海底探矿的其他声学设备，还有声学地层剖面仪。深水多普勒海流剖面仪和水下高速声信息传输系统。利用地层剖面仪可以探测数千米水下的海底沉积层厚度及地质构造，实时获得海底地侧扫声纳多普勒流速剖面仪质剖面图，利用多普勒流苏剖面仪可以在航行中连续测量水层剖面的多个层次的流速，最多可达64个层次，甚至更多。测量的数据由计算机实时处理。水下高速声信息传输系统可以将海底观察到的电视图像和声图像输送到水面。（2）地球物理方法此方法为应用物理学原理来研究地质构造，寻找地下矿藏的方法。岩石矿石具有各种不同的物理性质，物理勘探就是测探它们的物理性质，如密度、弹性、磁性、电性、放射性等物理性质的差异，及探测地球物理场的变化，然后分析所获得的资料，从而推断矿产分布情况。如不同岩石矿石对声波（振动波）传播的速度不同，岩石矿石越密传播声波的速度就越大，利用这种原理来勘探的勘探方法就是地震法。同岩石矿石有不同的密度，密度大的岩体就产生大的吸引力。岩石矿石都或多或少的带有磁性，不同岩石有不同的磁性，探测岩石矿石的磁性以区分其种类，这就是磁力法。不同岩石矿石的导电性能不同，个别的矿体还能产生自然电流，这就要用电法来勘探，在电法中又有电阻法和电磁法等。（3）地球化学勘探此方法为系统的测量海水、海底沉积物和岩石等的地球化学性质，以发现与矿化有关的地球化学异常的一种探