[科普中國]-海底采礦

海底采礦是對(duì)海底礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采的工作，主要采集水深較淺的海底表層沉積物，如砂礦、磷灰石及多金屬結(jié)核等?，F(xiàn)階段海底資源的開采關(guān)鍵技術(shù)主要有 2 個(gè)方面：一是海底礦體的采掘；二是礦石的水下提升運(yùn)輸。而其中的核心是技術(shù)難度較大的海底采礦設(shè)備和礦石提升設(shè)備。目前， 世界上公認(rèn)的最有應(yīng)用前景的海底開采裝置有 3 種：鏈斗式采礦裝置、 氣壓式采礦裝置和水泵式采礦裝置。

海底礦產(chǎn)資源的勘探及開發(fā)現(xiàn)狀與陸地礦產(chǎn)資源開發(fā)一樣，在開采海底礦產(chǎn)之前，也必須進(jìn)行大量的地質(zhì)勘查工作，研究礦床的地質(zhì)成礦條件， 掌握礦床的地質(zhì)構(gòu)造和成因， 查明目標(biāo)礦床的分布范圍、 面積、 埋深、 儲(chǔ)量、 品位以及當(dāng)?shù)刈匀粭l件和海陸運(yùn)輸能力等。在此基礎(chǔ)上， 根據(jù)礦產(chǎn)的形態(tài)選擇合適的開采方法、 裝備和設(shè)施。然而， 就人類對(duì)海底礦物資源的了解情況而言，可以認(rèn)為， 迄今為止海底仍然是一個(gè)未知的世界。據(jù)美國國家科學(xué)院專家估計(jì)，99%的海底尚未得到勘查或調(diào)查。其原因很簡單， 一是海底勘察的難度比陸地大得多， 必須依賴強(qiáng)力技術(shù)支持；二是相對(duì)容易的陸地資源尚未枯竭，人類對(duì)海底資源開發(fā)的需求并非迫切。所以， 人類對(duì)整個(gè)海底的研究尚處于較為初始的階段， 不僅對(duì)海底的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、 地層、 巖性等情況研究甚少， 甚至連幾個(gè)大洋海底的地貌也沒有完全掌握， 只是對(duì)一些已知區(qū)域進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究與勘查。根據(jù)衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)資料， 超過 1 000 m 的海底山大約有 10 萬座， 僅在太平洋就有約 5 萬座， 而迄今只對(duì)其中 15 座進(jìn)行了填圖和取樣1。

根據(jù)已經(jīng)掌握的資料， 目前人類可以利用的海底礦物資源主要有以下幾種形式：①多金屬結(jié)核(錳結(jié)核)；②海底 “黑煙囪” (錳結(jié)核)；③富鈷的鐵錳結(jié)核殼；④多金屬硫化礦。迄今發(fā)現(xiàn)的海底熱泉有 300 多處， 其中 65 % 在大洋中的山脈， 22 % 在弧后盆地，12 %在火山島弧， 1 % 在板塊中央弧。1978 年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)海底多金屬硫化礦床， 位于東太平洋海底高地， 高達(dá) 10 英尺。

眾所周知， 按照現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)理論， 海底礦床的形成與陸地礦床的成因基本上是一致的。所以大多數(shù)陸地資源的勘查技術(shù)都可以移植到海底資源勘察， 只是需要克服海洋的特殊環(huán)境所帶來的許多困難， 比如海水的壓力、 海水的腐蝕、 海底的黑暗等因素。經(jīng)過多年開發(fā)應(yīng)用的海洋大陸架礦床資源的勘探與開采技術(shù)、 海上油氣開采的鉆井平臺(tái)技術(shù)以及海底石油勘探技術(shù)等都可以直接用于海底金屬礦物的勘探與開采。在陸地勘探應(yīng)用已經(jīng)成熟的航測(cè)、 遙感、 磁測(cè)技術(shù)以及海洋聲納探測(cè)技術(shù)都已應(yīng)用于海底資源的勘探。地震反射勘察技術(shù)(Seismic reconnaissance) 使得海底勘探比陸地成本更低， 并且勘探深度可達(dá)近2 000 m?，F(xiàn)在用于深?？碧降耐弦放?、 遙控艙、 海底機(jī)器人等技術(shù)日臻成熟， 已經(jīng)大量應(yīng)用于深海資源的勘探與開發(fā)作業(yè)1。

海底礦產(chǎn)資源開采的技術(shù)特點(diǎn)目前， 海底金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)剛剛起步， 還停留在深海底面表層礦產(chǎn)資源的開發(fā)階段， 開采方式還是以挖掘海底的松軟巖體為主。在海底金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)處于前沿的兩家公司分別是加拿大的鸚鵡螺礦業(yè)公司(Nautilus Minerals)和總部設(shè)于澳大利亞的海王星礦業(yè)公司(Neptune Minerals)。現(xiàn)階段海底資源的開采關(guān)鍵技術(shù)主要有 2 個(gè)方面：一是海底礦體的采掘；二是礦石的水下提升運(yùn)輸。而其中的核心是技術(shù)難度較大的海底采礦設(shè)備和礦石提升設(shè)備。目前， 世界上公認(rèn)的最有應(yīng)用前景的海底開采裝置有 3 種：鏈斗式采礦裝置、 氣壓式采礦裝置和水泵式采礦裝置。鏈斗式采礦裝置是在高強(qiáng)度的聚丙二醇脂繩上每隔 25 ～50 m 安裝 1 個(gè)采礦戽斗， 開采時(shí)船首的牽引機(jī)帶動(dòng)繩索， 使戽斗不斷地在海底拖過，挖取錳結(jié)核并提升到船上。1970 年 8 月， 日本已在太平洋水深 4 000 m 處成功地進(jìn)行了試驗(yàn)。氣壓式采礦裝置是將集礦頭置于洋底， 開動(dòng)船上的高壓氣泵， 高壓空氣沿輸氣管道向下， 從輸?shù)V管的深、 中、 淺3 個(gè)部位注入， 在輸?shù)V管中產(chǎn)生高速上升的固、 液、 氣三相混合流， 將經(jīng)過篩濾系統(tǒng)選擇過的結(jié)核提升至采礦船內(nèi)， 提升效率約 30 % ～35 %。水泵式采礦裝置是將高效的離心泵放在輸送管道中間的浮筒內(nèi)， 浮筒內(nèi)充以高壓空氣， 支撐離心泵和管道浮在水中；由于高效離心泵的作用而產(chǎn)生高速上升的水流， 使錳結(jié)核和水一起沿管道提升至采礦船內(nèi)2。

多金屬軟泥也是一種具有開采價(jià)值的深海礦產(chǎn)資源。德國已研制成功一種開采紅海多金屬軟泥的裝備， 即在采礦船下拖曳 1 根 2 000 m 長的鋼管柱，柱的末端裝有 1 個(gè)抽吸裝置;裝置內(nèi)的電控?cái)[篩能攪動(dòng)像牙膏狀的軟泥， 通過真空抽吸裝置、 吸礦管， 把含有海水的金屬軟泥吸到采礦船， 然后經(jīng)過處理并除去水分， 最后即可獲得含有 32 %鋅、 5 %銅和 0.074 %銀的濃縮金屬混合物。

海底采礦與海洋環(huán)境海底采礦面臨另一個(gè)嚴(yán)峻的問題就是對(duì)海洋環(huán)境的影響?，F(xiàn)有的試驗(yàn)表明， 當(dāng)對(duì)海底礦物進(jìn)行開采時(shí)， 可以產(chǎn)生 3 大環(huán)境問題：

1)對(duì)海底產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)采礦器械進(jìn)行礦物采集時(shí)， 將會(huì)嚴(yán)重的破壞海底表面達(dá)數(shù)厘米， 并產(chǎn)生巨大的渦流， 這將對(duì)海底的動(dòng)植物產(chǎn)生滅頂之災(zāi)。

2)采礦船排放廢水。當(dāng)將礦石從海底提升到水面裝船時(shí)， 不可避免的將大量的泥漿帶入到海洋表面， 這將產(chǎn)生一些金屬離子進(jìn)入到海洋中造成污染。海底礦物的開采， 會(huì)將大量的海底泥漿帶入到海洋表面， 使海水的透光性變差， 直接影響到海洋植物的光合作用， 同時(shí)， 溫度較低的底層海水被帶到上層海面，也會(huì)使海水的溫度發(fā)生變化。

3)對(duì)海岸產(chǎn)生的影響1。

海底礦產(chǎn)資源開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)首先是技術(shù)難題。目前人類所掌握的知識(shí)， 尚不足以對(duì)海洋礦產(chǎn)資源的形成進(jìn)行完全的解釋， 所以地質(zhì)學(xué)家還不能像在陸地勘查找礦那樣， 對(duì)海底礦藏進(jìn)行找礦預(yù)測(cè)。20 世紀(jì) 70 年代末當(dāng)人們?cè)诤５紫群蟀l(fā)現(xiàn)鈷礦床和多金屬硫化礦床時(shí)， 科學(xué)家們甚至感到非常驚奇。

其次是海底地貌復(fù)雜， 基本上由一系列海底山丘和峽谷組成；礦床位處深海， 不少海底資源位于海平面以下 3 000 m 到 5 000 m；海底巖性變化復(fù)雜， 從軟泥到脆性巖殼， 以及堅(jiān)硬巖體;海水壓力隨海洋深度增加而增加， 海底資源的開發(fā)要克服巨大的海水壓力；深度在數(shù)百英尺而不是數(shù)千英尺時(shí)， 采礦并不困難， 人們?cè)跍\海開采錫礦、 磷灰石、 工業(yè)用沙和礫石的歷史已經(jīng)有幾十年。

最后是海底礦床基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺乏， 在一個(gè)一片漆黑的未知世界里， 開發(fā)海底礦物將有許多的基礎(chǔ)問題需要解決3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)