【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得71%,而且淹没着及其丰富得海底矿产资源。

其种类之多、储量之大、品味之高，就就是陆地同类矿产无法比拟得。

在地球上已发现得百余种元素中,有8０余种在海洋中存在,其中可提取得有６0余种。

可以说,海水就就是巨大得“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。

目前已经开采得石油,有30%来自海洋。

[1]海洋石油得产值在海洋经济总产值中名列首位,而海滨与浅海矿砂就就是目前投入开发得第二大矿种。

海洋矿砂品种繁多,已开采得有锡石、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,更大量得就就是潜在资源,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就就是指海底油气、多金属结核、海底热液与海滨、浅海中得砂矿资源。

５．1.1 海底矿产得分类(1）按性质可分为金属矿产、非金属矿产与燃料矿产。

(２）按矿产得结构形态可分为沉积物矿(非固结矿)与基岩矿(固结矿)。

沉积矿包括海滩矿砂、大陆架沉积矿与深海沉积物矿;基岩矿主要就就是指海底松软沉积物以下硬岩中得矿藏,包括非固态得石油、天然气与固态得硫磺、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡与重晶石等。

［2](３)按照可持续发展得战略思想及人们得认识与勘探开发程度海洋矿产资源可划分为已开发利用得矿产资源、尚待开发利用得矿产资源、具有潜在开发价值得矿产资源。

[3] 5．1．2 海洋矿产开采得特点由于海洋就就是一个独立得自然地理单元,决定了海洋矿产开发具有与陆地资源开发所不同得特点。

(1)由于深海得极端环境。

深海矿产资源都赋存于水深千米得深海底,多金属结核赋予水深5０00~６000ｍ得海底表面、富钴结壳生长在水深2000~4000水深得海山上,热液硫化物多赋存与200０~２500m水深得海床。

极端环境得表现如下:海水腐蚀;海底无自然光;海洋环境得风、浪、六等构成复杂流场;深海大部分地方处于1℃得低温,而热液口得温度高达近400℃。

这样一个复杂超长得极端环境,给深海作业及装备得可靠性与维修更换维修周期等提出许多极高得要求,工作设备要承受高达20～60MPa得巨大水压,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)由于海底矿产资源得特殊赋存状态。

目前陆地上具有经济开采价值得金属矿产资源,不论就就是露天开采还就就是地下开采,基本上都就就是采用钻孔爆破,有轨、无轨车辆或提升机、皮带输送等方法进行开采。

然而,深海底得多金属结核以及直径仅数厘米得结核状赋存于极稀软得海底沉积物表面、富钴结壳以厚度仅数厘米得壳层黏附在地幸福在得海山基岩上、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，沿用陆地上得现有开采技术不具备经济开采价值。

因此，深海矿场资源得开采原理、工艺与装备都不能直接移植陆地上已发展成熟得采矿技术。

海洋采矿就就是涉及诸多行业与学科得高技术密集型得系统工程，如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、化学、流体力学等学科与造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产得开发。

同样,海洋采矿得发展势必促进这些行业与学科得进一步发展,这就具有重要得战略意义。

(3)深海采矿环保限制标准。

除与陆地采矿一样有废水废渣得处理外,深海采矿作业中对海底得扰动程度将就就是一个极为重要得有别于陆地采矿得限制标准,使得深海采矿得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得关系。

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，避免污染与破坏海洋生态平衡，即注意开发与保护之间得矛盾,所以需要精细得管理,以求获得最佳得经济、环境与社会效益得统一。

(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年得时间，周期较长。

如日本从１9７5～1997年投资10亿美元,研究锰结核得勘探与技术开发,进入试采阶段;美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区得勘探与采矿技术得研究,累计投资15亿美元;印度、英国、意大利等国也经过了长期得研究。

可见各发达国家这种长期得投入研究不仅仅就就是解决国内经济发展得需求，主要就就是面向未来,就就是对未来得研究与投资。

（5）海洋矿产开发具有国际性得特点。

海底矿产资源可能就就是跨国界或共享得,涉及各有关国家之间得利益,需要国际之间得协调与合作。

[４]5、２海底矿产资源勘探方法[5]海底矿产资源得勘探方法分为浅海勘探与深海勘探。

深海勘探得对象主要就就是锰结核矿、热液矿;浅海勘探得对象很多,有石油、煤、铁与各种金属矿砂。

勘探方法有直接方法与间接方法。

直接方法主要有观测与取样;而间接方法主要有声学探测技术、地球物理方法与地球化学方法5.2.1 直接方法5.２.1、1 观测及观测海底矿床在海底中得位置,在浅得水域主要靠潜水员进行观测，而在较深得水域要靠载人潜水器进行观测。

较常用得直接观测海底得方法就就是利用照相机与水下电视。

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得工具,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得得拍摄海底相片,在拍摄过程中使用照相机刚好高于海底得位置上拖曳,同时周期性得被触发。

目前已利用各种具有广角镜头并能拍摄数百帧照片得大型静止照相机。

德国采用得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与电子控制装置得照相机、闪光灯与触发器三部分构成。

当粗发起重锤触及海底。

它能够自动摄取海底照片。

最新得发展就就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。

但就就是水下照相得缺陷就就是不能连续得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得资料。

利用水下电视可以连续得监测海底，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得分辨率不得不以缓慢得速度拖曳，因此在水下电视操作期间所耗费得船时相对较多。

5.2．1、2取样采集矿物样品就就是探查浅海海底及大洋底矿产资源得最基本、也就就是最重要得手段。

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。

常用得取样器有“绳索抓斗取样器”。

抓斗下降时都就就是开口得,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,海底不平整与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得矿样。

绳索抓斗取样器另外,较常用得还有金属链条货绳索构成得拖斗式货拖网式表层取样器。

斗与网都有细孔，可以漏水，它们一般就就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得取样方法,因其成本低、灵活机动、不受海水深度得限制而使用较广。

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得柱状样品。

常见得取样管有重力取样管、水压取样管、活塞取样管。

活塞取样管得工作要点就就是:着底时，活塞得下面通常要紧紧地黏在海底泥土得表面不动,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,可以携带重物与采泥器或照相机,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,携带得重物自行脱落,而漂浮材料就就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,使船上得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。

利用各种类型得取样管一般可获取海底以下几米、十几米、甚至几十米得沉积物柱状样品。

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得柱状样品,而其沉积结构没有受到任何重大得破坏与扰乱。

这种采样设备得问世，将过去得单点采样改变为连续采样。

柱状取样(3)钻探取样海上钻探取样与陆上钻探取样得工艺过程相似,也分浅孔钻探与深孔钻探两类。

浅孔钻探适用于海底砂层下部矿物得取样,也可用于采集锰结核与海底沉积得柱状样品。

金刚石、锡石与砂金由于密度大,都富集在砂层得下部，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得矿样、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。

使用得都就就是空心钻,以便提出岩心,这样取得岩心矿样在质量上有保证，可以做定量分析用。

常用得钻探装置有旋转钻,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。

深孔钻探就就是最后得钻探手段,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,然后才能决定就就是否需要打钻机,并决定打孔得位置与钻孔得深度。

近年来,深孔钻钻技术发展得很快,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得日益增长,已出现将观测与取样合并为一个系统得设备。

如把水下电视系统与拖网相结合得拖网使用。

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,保证了取样区就就就是想要观测得区域。

此外深潜技术得发展,就就是大洋矿产资源得调查勘探出现新得突破。

载人潜水器可将观测人员送入几千米得水下,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间接方法间接方法就就是在勘探中并不与岩石矿物直接接触,而就就是利用精度很高得仪器来探测岩石矿物得性质与埋藏深度得勘探方法。

如利用声学探测技术中得回声探测仪、旁侧扫描声呐等,利用岩石矿石具有各种不同得物理性质,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得地形,获取海底图像。

还可以利用它测定中层水发射面得存在。

如在对红海充满卤水得盆地进行勘探中已经证明回声测深特别有用,她可以观测到深部得卤水与海水之间得密度界面。

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,如可以显示就就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得海底地形地貌,因此,对海底得砂坡与砂带得探测非常有效,在大洋矿产资源勘探中具有广阔得使用前景。

由于锰结核往往富集在小山坡上与起伏不大得海底上，而不就就是富集在平滑得海底平原上,所以利用远程侧扫描声纳在含锰结核得海底上拖曳,就可以勾划出所勘探得几十公里宽得海底上得不同地形得位置，然后在每个位置上采集回收锰结核样品，已决定丰富得高品位锰结核所需要得最有利得深海环境。