海底寶礦開發要有“定力丸”和“透視眼”

自然地理

導讀“大洋一號”上的科學考察隊員准備向深海中投放設備。機械手抓硫化物海底富含硫化物的高溫熱液活動區,俗稱“黑煙囪”。 不久前,日本科學家宣布在太平洋海域發現富含稀土的礦床。據稱,在夏威夷和法屬波利尼西亞周邊海域水深3500米到6000米的地帶,有總面積達1100萬平方米的稀土礦床,約含1000億噸稀土,可采量超過陸地的1000倍傳說中龍王爺的手中總有很多的寶物。 ...

“大洋一號”上的科學考察隊員准備向深海中投放設備。
機械手抓硫化物
海底富含硫化物的高溫熱液活動區,俗稱“黑煙囪”。 不久前,日本科學家宣布在太平洋海域發現富含稀土的礦床。據稱,在夏威夷和法屬波利尼西亞周邊海域水深3500米到6000米的地帶,有總面積達1100萬平方米的稀土礦床,約含1000億噸稀土,可采量超過陸地的1000倍
傳說中龍王爺的手中總有很多的寶物。而事實上,隨著現代科學技術的發展,海洋礦產資源的重要性也正在日益凸顯出來。
日本科學家宣布在太平洋底發現豐富稀土資源的消息引起了很多人的注意。稀土資源在高科技時代的重要意義歷來為人矚目,那麼,除了新近的這個發現外,占地球表面70%多的遼闊海洋中,還藏著哪些寶貝呢?對它們的勘查和開采又有哪些方法?
有些海底寶礦陸地上見不到
在遼闊大洋蔚藍的海水下,埋藏著豐富多樣的礦產資源。有陸地常見的一些類型,如石油和天然氣,煤和鐵等固體礦產;也有陸地沒有的一些類型,如多金屬結核和富鈷結殼;還有近十多年來發現和認識的新類型,如天然氣水合物和熱液硫化物等礦產資源。
海底石油和天然氣 目前發現的海上油氣田,大都分布在淺海陸架區的盆地,如我國珠江口盆地;深水(通常指水深大於500米)油氣則主要見於大陸架,如我國南海白雲凹陷海域。有資料顯示,海洋油氣資源量約占全球石油資源總量的34%。不同國家周邊海洋油氣資源量情況不同,如美國海面下儲存的石油量高達850億桶,足夠美國按照當前速度消耗10年以上。有分析認為,到2020年,美國石油的40%將來自海底。又如,南海石油地質儲量約在230億至300億噸之間,號稱全球“第二個波斯灣”。
煤、鐵等固體礦產 主要分布在世界許多近岸海底,分布於深海的極少。如日本海底煤礦開采量占其總產量的30%。而日本九州附近海底發現了世界上最大的鐵礦之一。亞洲一些國家還發現許多海底錫礦。我國大陸淺海大陸架區也有銅、煤、硫、磷、石灰石等礦分布和發現。
多金屬結核 多金屬結核含有錳、鐵、鎳、鈷、銅等幾十種元素。主要分布於大洋3500至6000米深海盆的海山;也見於邊緣海,如我國南海也有多金屬結核。據測算,分布在太平洋的錳儲量達2000億噸,相當於陸地上的57倍;鎳90億噸,相當於陸地的83倍;銅50億噸,相當於陸地上的9倍。
天然氣水合物 俗稱可燃冰,是低溫、高壓條件下,由碳氫化合物與水分子組成的冰態固體物質。在海洋中主要分布在大陸架的沉積物中。早在上世紀末,日本、美國等周邊海域內發現大面積的可燃冰分布區。最近十年,我國在南海和東海獲得了大量的可燃冰存在的證據,並於2007年在南海神狐海域鑽獲可燃冰實物標本。
熱液硫化物礦藏 是一類與海底熱液活動有關的含大量金屬的礦產,有熱液硫化物和多金屬軟泥等類型。主要分布在洋中脊、島弧火山、弧後盆地和板塊內部熱點等環境。熱液硫化物中富含金屬元素,其中銅、鋅、鉛、銀、金等金屬的潛在資源量巨大。幾年前有學者估計,世界各海域具有開采潛力的大型熱液礦床約有12個,主要分布在西南太平洋。
發現海底寶礦要有“定力丸”和“透視眼”
對遠離陸地、埋藏在數千米海水下的這些礦產資源的勘查,面臨著許多科學和技術的挑戰。如何在茫茫大海精確地穩定船舶的位置?如何透過海水去探測海底礦產的異常標志?又怎樣在深邃與黑暗的海底觀察和發現海底礦產的露頭?用什麼方法和技術從海底把礦產標本“撈”出來,看看“真面目”?
首先,最主要的大型裝備是科考和勘查船只,這些船只具備了與科考和勘查要求相配套的設施,以及具有精確動力定位的能力。拿我國的“大洋一號”來說,它能穩定在數十米的作業範圍內,或按科學家的要求前進、倒退、側行數十米,為發現和觀察數千米海水下面積只有數十平方米的礦產露頭提供保證。
國外目前只有少數船只具有深水鑽探能力,如國際整合大洋計劃所用的“決心號”和“地球號”等。另外,也有針對深水油氣勘查所設計的深水鑽探平台等大型裝備,如殼牌公司在墨西哥灣的“深水地平線”平台等。我國近年來也加大投入深水平台的研發。如“海洋石油981”是中國首次自主設計、建造的第六代3000米深水半潛式鑽井平台,代表了當今世界海洋石油鑽井平台技術的最高水平,堪稱海工裝備裡的“航空母艦”,總造價近60億元,預計於今年8月初赴南海作業,從而開啟我國深水油氣勘探開發之路。
人們所運用的深海資源勘查設備和技術大致上分為幾類,如地球物理和地球化學異常探測的設備和技術、海底觀測設備和技術、海底取樣裝備和技術等。拿地球物理勘查來說,常用的是地震方法,該方法可以獲得礦區的構造、地層和沉積等信息。地球化學方法則可以探測到油氣滲漏等有關異常現像。有多種設備來進行對海底的觀察和取樣,如海底照相和攝像系統、裝備了攝像裝置的電視抓鬥和多管取樣裝置等。還有能進行精確海底觀察和取樣的各類機器人和載人深潛器。
不同的海底礦產有不同的開采方法
對這些海底礦產的開采,面臨更多科學和技術上的挑戰。針對不同礦產有不同的設備和技術。同時,海底的生態環境十分脆弱,一些海底區域具有薄弱的地質構造和潛在的地質災害風險。因此,對這些礦產資源的開發利用都必須考慮和設計如何保護海底環境。
海底各種礦產開采技術中比較成熟的是深水油氣開采方法,包括了開發鑽井、完井采油、油氣分離處理和油氣集輸等主要方面。
對多金屬結核和富鈷結殼的開采已經有了近30年的研發歷史,其主要思路是按生產規模,把五六千米深海底下的多金屬結核連續、高效地采集並輸送到海面采礦船上。主要有3種方案:如連續繩鬥式開采系統、自動穿梭式采礦車采礦系統和集礦機加管道輸送采礦系統。前兩種較單純,只把海底結核用抓鬥抓到船上,而後者則包括了集礦機對海底采集到的結核進行脫泥和破碎等處理,然後經軟管輸送到一個中間礦倉,再送到海面的采礦船上。
而對海底可燃冰的開采,其主要開采思路是將海底沉積物中蘊藏的天然氣水合物分解,抽取其中所含的甲烷氣體。主要有降壓法、熱水灌注法和灌注化學物質3大類方法。
延伸閱讀
發現海底稀土資源
主要靠分析舊樣品
近日,日本科學家在《自然地球科學》發表文章,報道在中太平洋發現稀土資源。
經對該文章的查閱得知,這次“發現”實際上是利用地球化學元素分析儀器,對以往數十年國際合作計劃中在太平洋鑽獲的岩心沉積物進行室內再分析,分析這些沉積物的稀土元素含量和其物質來源成因。從相關資料可查到,該區稀土含量很高的幾個深海鑽探站位的沉積物與周邊熱液活動有關,從礦物學和沉積學等分析結果來看,推測這些沉積物中的稀土元素可能主要以離子狀態吸附於黏土礦物的表面或顆粒間。
目前來說,稀土礦的選礦主要方法有:重力選礦法;磁選分離法;浮選法;電選法;化學選礦法等。以微量離子吸附狀分布在海底沉積物中的稀土元素,比較適用的開采方法只能是化學選礦法。
目前還不了解日本科技人員會研發哪些新技術來開采和提取稀土元素。就已知的方法和技術情況而言,由於在采礦當地進行化學選礦會污染海水,推測他們可能會將沉積物先采到船上,然後運到陸地進行選礦試驗。至於商業和經濟上的開發和利用價值,參與決定的因素就更為復雜了,目前很難預測。
作者蘇新為中國地質大學(北京)海洋學院教授


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