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国际海域矿产资源勘探与开采技术现状与展望
国际海域蕴含丰富的固体矿产资源，其中多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物在太平洋、印度洋和大西洋均有分布，多金属结核富含Mn、Cu、Co、Ni，其资源量是陆地的几十倍至几千倍；富钴结壳富含Co、Ni、Cu、Pb、Zn等金属元素以及稀土元素(REE)和铂族元素(PGE)，其钴含量是陆地原生矿钴含量的20倍以上；多金属硫化物富含Cu、Fe、Mn、Pb、Co、Mo等金属和稀有金属，单个矿体的资源量可达几千万吨，开发潜力巨大，广泛分布于全球各大洋中脊和岛弧扩张带。深海沉积物中赋存大量的稀土资源，已有调查表明太平洋和印度洋深海中蕴藏巨量稀土。由于镍钴锰三元电池高能量密度给新能源汽车领域带来高续航和轻量化优势，而且5G技术的推广，对电池的容量需求不断增长，越来越多的国家对金属的需求不断增加，而且金属资源属不可再生资源，陆生矿的开发成本也逐渐加大，在市场需求和技术发展的双重驱动之下，国际海域矿产资源的勘探开发将成为重要选择之一。
1 国际海域矿产资源勘探研究进展
1.1国外勘探情况
自20世纪，国外就开始了对国际海域矿产资源的调查。多金属结核的大规模调查始于20世纪60年代的美国。自1983年起，苏联、日本、法国等国家先后向国际海底管理局申请成为先驱投资者。自20世纪80年代，德国就率先对中太平洋的富钴结壳进行了调查，之后美国、俄罗斯、日本、法国、韩国、中国等多个国家也相继开始参与了富钴结壳的调查。
1948年，瑞典“信天翁(Albatross)”号海洋考察船在红海中部发现水温与盐度异常，随后美国“发现者”号发现了热液多金属软泥，标志着热液硫化物勘探的开端。20世纪60年代，美国、苏联、日本、法国相继开展了大规模的热液硫化物矿产的勘探调查。
2000年起，国际海底管理局相继出台了《“区域”内多金属结核探矿和勘探规章》《“区域”内富钴结壳探矿和勘探规章》《“区域”内多金属硫化物探矿和勘探规章》等相关制度性文件，国际海域“蓝色圈地”运动正式开始。目前，德国、日本、比利时、韩国、法国、里斯巴斯、挪威、新加坡、俄罗斯、英国、汤加、印度等国与国际海底管理局签订了国际海底区域勘探合同，据国际海底管理局官网，截至2020年1月，共签订123万平方公里的海底矿区勘探合同。
1.2国内勘探情况
我国自20世纪80年代开始开展系统的多金属结核资源调查，并于1991年成为继苏联、日本、法国、印度之后的第5个先驱投资者。目前，我国拥有自主勘探权的多金属硫化物矿区5块，总面积30.6万平方千米：其中北京先驱高技术开发公司在西太平洋国际海底区域获得了7.4万平方千米多金属结核勘探工作计划．这是距离我国港口最近的合同区域。我国从1997年开始进行富钴结壳资源调查，2013年7月，中国大洋协会在西太平洋海山区取得3000平方千米的国际海底富钴结壳矿区勘探权。我国多金属硫化物调查开始于2003年，先后在太平洋、大西洋和印度洋等热液活动区进行调查取样．并于2013年7月在西南印度洋获得1万平方千米的热液硫化物矿区勘探权。目前，我国已在国际海域开展60余航次的资源和环境调查，为我国国际海域矿产资源勘探开发积累了丰富资料：
2 海底矿产资源勘探技术
海底矿产资源勘探主要依靠深海拖曳式调查、海底原位测量、海底底质沉积物取样、深潜和海底摄像等技术手段，直接或间接获取海底地质结构，矿产资源在海底的分布范围、规模及赋存状态。综合利用这些手段，探测地质背景情况，定量分析资源量，研判海底区域的勘探开发前景。
深海拖曳式调查主要利用船载声学、地球物理等设备，获取海底地质相关背景场特征，其具有造价低、效率高的特点，能够直接获取海底地形地貌、地球物理场信息，刻画海底地质特征，定性分析矿产资源的富集情况。富钴结壳主要以“壳状”富集在世界各大洋的海山上，热液硫化物作为海底热液活动的产物，呈烟囱体、丘状体、脉体和壳体等形态产出。多金属结核主要分布于水深2000～6000m的深海底部，呈核状埋藏于海底沉积物之下。
海底原位测量主要是利用原位传感器对海底实境进行样品、环境信息的采集和分析，通常搭载于ROV、AUV、HOV等设备上，采用无线或有线的方式传输实时信息。原位测量能够实时展现海底的真实情况，同时具有灵敏度高、操作方便等特点。目前主要使用的传感器有pH、海水浊度仪、甲烷探测仪、化学传感器等。张荣华等研制的YSZ系列高温高压化学传感和Zr/ZrO2+高温高压化学传感器能够探测到海底400℃/40MPa的pH、H2浓度、H2S浓度、EH等信息。
深海取样主要利用CTD、深钻、电视抓斗、ROV、拖网、箱式、lander等手段获取海底和海水中的沉积物、岩石、矿产资源、生物、海水等样品，用以分析海底矿产资源成因、富集程度、周围环境特征、生物分布等信息。
近年来，从无人潜器的使用，到载人潜器的研发，深潜技术得到了飞速的发展。无人潜器方面，利用ROV、AUV搭载CTD、磁力仪、各种热液异常传感器、摄像等装置，通过无线或有线的方式，将相关信息传输到母船。载人潜器则是通过科学家搭载潜器下潜到海底，实时观察海底地质和水体环境，研判海底矿产资源所处的地质情况和赋存的资源量，也可利用各种采样设备获取地质和生物样品资料。蛟龙号最大下潜深度达7062m,深海勇士号最大下潜深度达4534m，奋斗号最大下潜深度达10909m，载人潜水器的技术发展有利于更加直观的了解和研究深海资源与环境。
海底摄像设备主要搭载于AUV、ROV、电视抓斗、中深钻机等设备上，通过视频／照片的方式，展现海底矿产资源的富集情况，用于估算资源量。2017年大洋45航次在向阳红03号搭载6000m光学拖体获取了水下高分辨率摄像和照相数据，结合超短基线数据，对海底多金属结核覆盖率和分布情况、生物分布情况有了一定的认识。
3 国际海域矿产资源开采技术
从20世纪60年代末至今，国外各组织和机构进行和计划进行的深海矿产开采系统主要有3种：连续链斗式采矿法（简称CLB法）、流体提升采矿法和穿梭潜器采矿法。
CLB采矿法是由日本益田善雄1967年提出的，其结构比较简单，主要由采矿船、拖缆、索斗和牵引船4部分组成。CLB采矿系统主要特点是能够适应水深的变化，受波浪影响较小，但是采矿效率低，漏采情况严重，对环境造成污染，且无法满足商业开采的要求。因此20世纪70年代后CLB采矿系统被放弃。
穿梭潜器采矿法主要是由法国20世纪80年代提出的，它是集采矿与运输于一体的一种系统。采矿车在母船的遥控下潜入海底获取结核矿藏，采矿的同时释放压舱物，待矿车装满之后浮出水面卸载矿石，装满压载物之后再次潜入海底进入下一个采矿循环。这种采矿系统的特点是不需要提升系统，法国于20世纪80年代开展了采集试验，发现该系统采集矿产的投入巨大，产出价值不高，一次只能开采100kg左右的结核，故最终放弃了研究。但是该系统的采运原理被视为最有前途的采集技术。
流体提升式采矿系统是用提升管连接采矿船与海底集矿机，将集矿机采集的矿产运输到采矿船。该方法具有连续采矿效率高、易于控制、生态环境影响小、结核回收率高等特点，被认为是最有前途的商业开采系统。根据其提升方式的不同，分为水力式和气力式=气力提升是将压缩空气注入管道的适当部位，利用管内外的压力差将结核提升至海面，优点是结构简单，动力设备位于海面，易于维修，缺点是提升效率低，在深海提升结核效率不超过10%，且能耗较大，提升介质为气、液、固三相流，难以控制。水力系统提升中，多级潜水泵提升法适应性最好，它是用多台高扬程大功率潜水泥浆泵串联在扬矿管路中，效率较高，提升管道的管径较小，流态稳定，采用水力提升技术己形成明显的趋势。
我国自“八五”就开始研究海底矿产资源采集方法与设备，成功研制了水力式和水力机械复合式两种集矿模型机，确定了扬矿采用矿浆泵水力管道提升方案：“九五”期间在云南抚仙湖成功地进行了水深130m部分采矿系统的湖试；“十五”期间开展了集矿和扬矿的陆上实验；“十一五”期间完成了230m水深的垂直矿井提升试验；“十二五”期间，研制了一台支撑与驱动分离的新型集矿作业车；“十三五”完成多金属集矿系统（鲲龙500）的自主研制，并成功在南海海底完成了500m水深海底试验。
4 未来与展望
从技术层面来讲，深海矿产勘探开采已经达到了实施的水平，多年来的勘探测试，也间接推动了勘探和采矿装备的进步，亟须商业开采来验证。2011年，巴布亚新几内亚成为全球第一个颁发深海采矿许可证的国家，加拿大的鹦鹉螺矿业公司(Nautilus Minerals)则成为全球第一个获得该矿区深海采矿许可的机构，但受资金与政治的影响，本该于2019年实施深海采矿的计划因故中断。同时，国际海底管理局正在拟定《国际海底矿产资源开发规章》，来规范国际海域矿产资源开采的行为。目前，深海采矿面临着环境等问题亟须解决，在实施采矿之前必须考虑对环境的影响。国际海底管理局为了实施海洋环境保护也提出了“区域”环境管理计划，旨在评价勘探和开采活动对生物多样性和生态系统的影响，以便对“区域”实施针对性的环境管理措施。同时，为了解决国家管辖范围以外区域海洋生物多样性的养护和可持续利用，2015年联合国大会启动了BBNJ协定谈判计划。总体来看，国际海域矿产资源的开采活动势在必行。国际海域矿产资源勘探已成熟完备，对“区域”的矿产资源赋存状态已有很深的认识，矿产资源开采技术已达到了实施水平，开采活动对环境和生物多样性的影响是亟待深入研究和定量分析的内容。
摘自：《海洋信息》2021年第2期
