第五章海底礦產資源開發(fā)技術

1、第五章 海底礦產資源開發(fā)技術海洋不僅覆蓋地球面積的71%，而且淹沒著及其豐富的海底礦產資源。其種類之多、儲量之大、品味之高，是陸地同類礦產無法比擬的。在地球上已發(fā)現的百余種元素中，有80余種在海洋中存在，其中可提取的有60余種。可以說，海水是巨大的“液體礦床”。此外，已經探明，海底還富集著大量固體礦床，包括多金屬結核、鐵錳結殼、熱液，估計貯量約有3萬m3。目前已經開采的石油，有30%來自海洋。1海洋石油的產值在海洋經濟總產值中名列首位，而海濱與淺海礦砂是目前投入開發(fā)的第二大礦種。海洋礦砂品種繁多，已開采的有錫石、鋯英石、鈦鐵礦、磁鐵礦、金江石、金、獨居石、磷、紅柱石等。海底礦產資源中，更大量的

2、是潛在資源，如大洋錳結核、海底熱液礦、富鈷結殼等。5.1 海底礦產資源概述海洋礦產資源主要是指海底油氣、多金屬結核、海底熱液和海濱、淺海中的砂礦資源。5.1.1 海底礦產的分類（1）按性質可分為金屬礦產、非金屬礦產和燃料礦產。（2）按礦產的結構形態(tài)可分為沉積物礦（非固結礦）和基巖礦（固結礦）。沉積礦包括海灘礦砂、大陸架沉積礦和深海沉積物礦；基巖礦主要是指海底松軟沉積物以下硬巖中的礦藏，包括非固態(tài)的石油、天然氣和固態(tài)的硫磺、巖鹽、鉀鹽、煤、鐵、銅、鎳、錫和重晶石等。2（3）按照可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想及人們的認識和勘探開發(fā)程度海洋礦產資源可劃分為已開發(fā)利用的礦產資源、尚待開發(fā)利用的礦產資源、具有潛在

3、開發(fā)價值的礦產資源。35.1.2 海洋礦產開采的特點由于海洋是一個獨立的自然地理單元,決定了海洋礦產開發(fā)具有與陸地資源開發(fā)所不同的特點。（1）由于深海的極端環(huán)境。深海礦產資源都賦存于水深千米的深海底，多金屬結核賦予水深50006000m的海底表面、富鈷結殼生長在水深20004000水深的海山上，熱液硫化物多賦存與20002500m水深的海床。極端環(huán)境的表現如下：海水腐蝕；海底無自然光；海洋環(huán)境的風、浪、六等構成復雜流場；深海大部分地方處于1的低溫，而熱液口的溫度高達近400。這樣一個復雜超長的極端環(huán)境，給深海作業(yè)及裝備的可靠性和維修更換維修周期等提出許多極高的要求，工作設備要承受高達2060M

4、Pa的巨大水壓，海水中電磁波傳播衰減嚴重，其技術開發(fā)難度毫不遜色于太空技術。（2）由于海底礦產資源的特殊賦存狀態(tài)。目前陸地上具有經濟開采價值的金屬礦產資源，不論是露天開采還是地下開采，基本上都是采用鉆孔爆破，有軌、無軌車輛或提升機、皮帶輸送等方法進行開采。然而，深海底的多金屬結核以及直徑僅數厘米的結核狀賦存于極稀軟的海底沉積物表面、富鈷結殼以厚度僅數厘米的殼層黏附在地幸福在的海山基巖上、熱液硫化物雖然已大塊礦床形式存在，但礦床規(guī)模都相對較小，沿用陸地上的現有開采技術不具備經濟開采價值。因此，深海礦場資源的開采原理、工藝和裝備都不能直接移植陸地上已發(fā)展成熟的采礦技術。海洋采礦是涉及諸多行業(yè)和學科

5、的高技術密集型的系統(tǒng)工程,如地學、機械、電子、通訊、冶金、化工、物理、化學、流體力學等學科和造船業(yè)、遠洋運輸業(yè)等行業(yè)支持海洋礦產的開發(fā)。同樣,海洋采礦的發(fā)展勢必促進這些行業(yè)和學科的進一步發(fā)展,這就具有重要的戰(zhàn)略意義。（3）深海采礦環(huán)保限制標準。除與陸地采礦一樣有廢水廢渣的處理外，深海采礦作業(yè)中對海底的擾動程度將是一個極為重要的有別于陸地采礦的限制標準，使得深海采礦的技術難度進一步增加。海洋采礦中應注意與其它海洋資源開發(fā)之間的關系。它們之間相互促進、相互制約。此外在開采中還要注意保護海洋環(huán)境,避免污染和破壞海洋生態(tài)平衡,即注意開發(fā)和保護之間的矛盾,所以需要精細的管理,以求獲得最佳的經濟、環(huán)境和社

6、會效益的統(tǒng)一。(4)國外實踐表明,海洋(深海)礦產開采新技術,從開始研制到投入實際應用,通常需要1020年的時間,周期較長。如日本從19751997年投資10億美元,研究錳結核的勘探和技術開發(fā),進入試采階段;美國與日本幾乎同期開始進行大洋礦區(qū)的勘探和采礦技術的研究,累計投資15億美元;印度、英國、意大利等國也經過了長期的研究?？梢姼靼l(fā)達國家這種長期的投入研究不僅僅是解決國內經濟發(fā)展的需求,主要是面向未來,是對未來的研究和投資。(5)海洋礦產開發(fā)具有國際性的特點。海底礦產資源可能是跨國界或共享的,涉及各有關國家之間的利益,需要國際之間的協(xié)調和合作。45.2 海底礦產資源勘探方法5海底礦產資源的勘

7、探方法分為淺海勘探和深?？碧健Ｉ詈？碧降膶ο笾饕清i結核礦、熱液礦；淺?？碧降膶ο蠛芏?，有石油、煤、鐵和各種金屬礦砂?？碧椒椒ㄓ兄苯臃椒ê烷g接方法。直接方法主要有觀測和取樣；而間接方法主要有聲學探測技術、地球物理方法和地球化學方法5.2.1 直接方法5.2.1.1 觀測及觀測海底礦床在海底中的位置，在淺的水域主要靠潛水員進行觀測，而在較深的水域要靠載人潛水器進行觀測。較常用的直接觀測海底的方法是利用照相機和水下電視。目前水下照相機在海洋地質調查中一發(fā)展成一種比較完善的工具，在研究海洋礦床方面已被廣泛地采用。水下照相機能夠連續(xù)的的拍攝海底相片，在拍攝過程中使用照相機剛好高于海底的位置上拖曳，同時

8、周期性的被觸發(fā)。目前已利用各種具有廣角鏡頭并能拍攝數百幀照片的大型靜止照相機。德國采用的70mm海底靜止照相機，能曝光大約300次。這種照相機由具有能源和電子控制裝置的照相機、閃光燈和觸發(fā)器三部分構成。當粗發(fā)起重錘觸及海底。它能夠自動攝取海底照片。最新的發(fā)展是以聲吶控制代替機械能觸發(fā)器并配備自返式取樣裝置，在拍攝照片后自動返回海面而被回收。但是水下照相的缺陷是不能連續(xù)的進行探礦不得不將照相機從海底回收，并且必須等到照片沖出來以后才能獲得光宇海床礦床的資料。利用水下電視可以連續(xù)的監(jiān)測海底，并可將觀測結果錄制成碟永久保留。但由于海底缺少光線以及攝像系統(tǒng)的分辨率不得不以緩慢的速度拖曳，因此在水下電視

9、操作期間所耗費的船時相對較多。5.2.1.2 取樣采集礦物樣品是探查淺海海底及大洋底礦產資源的最基本、也是最重要的手段。主要有以下幾種繩索抓斗取樣器（1） 表層取樣即采用工具獲取還低表面物質樣品。常用的取樣器有“繩索抓斗取樣器”。抓斗下降時都是開口的，當接觸海底后即自動抓砂封閉。利用繩索抓斗取樣器在海底撈取礦樣，由于它靈活機動，不受海水深度限制，海底不平整和粒度大小不均勻都沒關系，因而成本低，使用廣泛。單只能撈取海底表層的礦樣。另外，較常用的還有金屬鏈條貨繩索構成的拖斗式貨拖網式表層取樣器。斗和網都有細孔，可以漏水，它們一般是在深海中用以撈取結核礦、巖塊、礫石等樣品這種古老而又新穎的取樣方法，

10、因其成本低、靈活機動、不受海水深度的限制而使用較廣。但所獲取樣品往往會混在一起，所以僅能用作定性研究，不能定量分析。（2）柱狀取樣未用各種采樣管采取海底以下一定深度的柱狀樣品。常見的取樣管有重力取樣管、水壓取樣管、活塞取樣管?；钊庸艿墓ぷ饕c是：著底時，活塞的下面通常要緊緊地黏在海底泥土的表面不動，而只讓管子完全插入泥土中。柱狀取樣上述柱狀取樣管都需船只停止航行后用用鋼纜吊著取樣管到達海底取樣這種方法既費時，又費事。近年來，國外研制了一種“自動返回沉積物取樣器”，又稱，“無纜取樣器管”。這種取樣器用漂浮材料制成，可以攜帶重物和采泥器或照相機，自由降落到海底，在到達海底并采集樣品或對海底照相

11、以后，攜帶的重物自行脫落，而漂浮材料是采泥器貨照相機浮出水面，一旦露出水面，訊號器立即啟動，發(fā)射無線電信號，使船上的工作人員很容易發(fā)現它而取回樣品。經試驗，在水深1000m處，整個取樣過程僅需15min。利用各種類型的取樣管一般可獲取海底以下幾米、十幾米、甚至幾十米的沉積物柱狀樣品。據報道，前蘇聯“勇士”號調查船曾用真空式取樣管取得長達34m的柱狀樣品，而其沉積結構沒有受到任何重大的破壞和擾亂。這種采樣設備的問世，將過去的單點采樣改變?yōu)檫B續(xù)采樣。（3）鉆探取樣海上鉆探取樣和陸上鉆探取樣的工藝過程相似，也分淺孔鉆探和深孔鉆探兩類。淺孔鉆探適用于海底砂層下部礦物的取樣，也可用于采集錳結核和海底沉積

12、的柱狀樣品。金剛石、錫石和砂金由于密度大，都富集在砂層的下部，越接近下部底巖，礦砂就越豐富，所以需要用鉆孔提取礦砂層下部的礦樣、鉆孔深度不等，視砂層厚度而定，由1m到30m以上，鉆孔直徑由10cm到90cm。在砂層中鉆孔速度很快，因而成本也不高。使用的都是空心鉆，以便提出巖心，這樣取的巖心礦樣在質量上有保證，可以做定量分析用。常用的鉆探裝置有旋轉鉆，落錘鉆，打樁鉆，震動鉆。（4）深孔鉆探對海底堅硬巖層勘探就要用深孔鉆探。深孔鉆探是最后的鉆探手段，費用很高。對于石油、天然氣、煤、鐵等礦床應先用地球物理方法進行初步勘探，然后才能決定是否需要打鉆機，并決定打孔的位置和鉆孔的深度。近年來，深孔鉆鉆技術

13、發(fā)展的很快，現在陸地上鉆孔最大深度已超過萬米，海底鉆孔深度則已達6966m。隨著水下礦產勘探重要性的日益增長，已出現將觀測和取樣合并為一個系統(tǒng)的設備。如把水下電視系統(tǒng)與拖網相結合的拖網使用。拖網懸掛在電視機外殼下面，在電視機框架到達海底時，拖網就在海底上取樣。用這種方法，在電視觀測期間就能夠獲取樣品，保證了取樣區(qū)就是想要觀測的區(qū)域。此外深潛技術的發(fā)展，是大洋礦產資源的調查勘探出現新的突破。載人潛水器可將觀測人員送入幾千米的水下，利用觀察窗或聲吶直接觀測海底礦物，并利用機械手采集礦物樣品。5.2.2間接方法間接方法是在勘探中并不與巖石礦物直接接觸，而是利用精度很高的儀器來探測巖石礦物的性質和埋藏

14、深度的勘探方法。如利用聲學探測技術中的回聲探測儀、旁側掃描聲吶等，利用巖石礦石具有各種不同的物理性質，如密度、容重、磁性、導電性等物理性質，采用地球物理方法等。多普勒流速剖面儀（1）水聲學探測技術利用回聲側探測儀可以了解海底的地形，獲取海底圖像。還可以利用它測定中層水發(fā)射面的存在。如在對紅海充滿鹵水的盆地進行勘探中已經證明回聲測深特別有用，他可以觀測到深部的鹵水和海水之間的密度界面。低頻回聲測深儀可以穿透沉積物上層，并能準確判定海底地形地貌，如可以顯示是否存在海底火山巖。這種火山巖對于采礦作業(yè)危害極大，因為采礦作業(yè)主要使用海底拖曳工具。側掃聲納側掃描聲納可以測量精細的海底地形地貌，因此，對海底

15、的砂坡和砂帶的探測非常有效，在大洋礦產資源勘探中具有廣闊的使用前景。由于錳結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，所以利用遠程側掃描聲納在含錳結核的海底上拖曳，就可以勾劃出所勘探的幾十公里寬的海底上的不同地形的位置，然后在每個位置上采集回收錳結核樣品，已決定豐富的高品位錳結核所需要的最有利的深海環(huán)境。因此，利用側掃描聲納可以發(fā)現任意含錳結核地區(qū)中的其他的富集區(qū)。此外，高分辨率的側掃描聲納還可以繪出粗糙海底錳結核分布地區(qū)的概況。用于海底探礦的其他聲學設備，還有聲學地層剖面儀。深水多普勒海流剖面儀和水下高速聲信息傳輸系統(tǒng)。利用地層剖面儀可以探測數千米水下的海底沉積層

16、厚度及地質構造，實時獲得海底地質剖面圖，利用多普勒流蘇剖面儀可以在航行中連續(xù)測量水層剖面的多個層次的流速，最多可達64個層次，甚至更多。測量的數據由計算機實時處理。水下高速聲信息傳輸系統(tǒng)可以將海底觀察到的電視圖像和聲圖像輸送到水面。（2）地球物理方法此方法為應用物理學原理來研究地質構造，尋找地下礦藏的方法。巖石礦石具有各種不同的物理性質，物理勘探就是測探它們的物理性質，如密度、彈性、磁性、電性、放射性等物理性質的差異，及探測地球物理場的變化，然后分析所獲得的資料，從而推斷礦產分布情況。如不同巖石礦石對聲波（振動波）傳播的速度不同，巖石礦石越密傳播聲波的速度就越大，利用這種原理來勘探的勘探方法就

17、是地震法。同巖石礦石有不同的密度，密度大的巖體就產生大的吸引力。巖石礦石都或多或少的帶有磁性，不同巖石有不同的磁性，探測巖石礦石的磁性以區(qū)分其種類，這就是磁力法。不同巖石礦石的導電性能不同，個別的礦體還能產生自然電流，這就要用電法來勘探，在電法中又有電阻法和電磁法等。（3）地球化學勘探此方法為系統(tǒng)的測量海水、海底沉積物和巖石等的地球化學性質，以發(fā)現與礦化有關的地球化學異常的一種探礦方法。海洋地球化學勘探通常采集海水、海底表層沉積物的巖石樣品，在船上實驗室進行分析測定某些元素的微跡含量等工作。在油氣勘探、濱海砂礦、磷塊巖、熱液礦床、鐵錳結核、鐵錳礦等重要海洋礦產的發(fā)現中都起到了十分重要的作用。近

18、年來，對海域地球化學測量給予了肯定的評價，認為這是一種經濟、快速而有效的方法。據報道，近十幾年來，世界各國對近海地區(qū)100多萬平方公里進行了油氣地球化學調查，圈定了123個油氣遠景區(qū)，并在大量的數據的基礎上研制出預測油氣資源的地球化學模式。（4）導航技術在深海探礦中必須具備精確的導航定位能力，特別是在探礦過程的最后階段，利用導航定位技術，以便當完成使命的自返式采樣器和自返式水下照相機返回海面時，海面船只能夠找到它們，將它們回收上來。目前，應用比較廣泛的是衛(wèi)星導航與遠程無線電導航系統(tǒng)結合，并由雷達系統(tǒng)加以補充。對比較小的區(qū)域進行詳細勘察時，作為導航參考點可以使用無線電或雷達浮標以及置于海底的聲納

19、應答器。近年來，國際上出現了多用途海底礦產資源綜合勘探船，集采樣、光學、聲學、導航技術為一體。船上配備了精密導航儀器，勘探裝置和采樣裝置，可以在遠離陸地的深海環(huán)境中工作。這種勘探船的問世，大大提高了探礦速度和精度。5.3海洋礦產開采技術方法編號海底礦產可采用的開采方法使用現狀最終產品1石油、天然氣石油鉆井平臺、鉆探裝置、海底采油系統(tǒng)早已進入工業(yè)化生產,是非常成熟的開采技術。我國自主開發(fā)研制的一批技術裝置達到或接近國際先進水平提取石油、天然氣2多金屬結核礦1.連續(xù)鏟斗提升采礦系統(tǒng)2.管道提升采礦系統(tǒng)3.穿梭潛水集礦機系統(tǒng)4.海底自動采礦系統(tǒng)基本完成小試,進入中試階段。管道提升采礦系統(tǒng)被認為是非常

20、有前途的開采方法。國內首先對這種方法進行研究取得了初步成果提煉出具有戰(zhàn)略意義的多種金屬3海底熱液礦床3其它礦產各種采掘裝置和大深度挖泥機基本成熟的方法,進入工業(yè)化生產。但我國以土法采選為主,技術落后、生產效率低提取鐵砂、金砂、錫砂及其它礦物5.3.1近海油氣資源6天然氣水合物是一種在低溫(-10+100)和高壓(19Ma)條件下由氣體和水合成的類冰固態(tài)物質，又稱可燃冰。它的分子結構比較特殊，是剛性的等軸籠架結構六方晶體的水分子中存在甲烷分子。所以，天然氣水合物中的有用組分主要為甲烷，此外還含有少量的H2S、CO2、N2和其它烴類氣體。它具有極強的儲載氣體的能力,一個單位體積的天然氣水合物可儲載

21、100200倍于這個體積的氣體儲載量。5.3.1.1天然氣水合物的賦存環(huán)境飽和的天然氣水合物的能量密度很大,因為晶體結構迫使甲烷分子相互緊密結合在一起不論壓力或深度如何變化,水合物的能量密度總是固定的。在一定的壓力溫度條件下,原生賦存具有經濟潛力的天然氣水合物廣泛分布在永久凍土帶和大陸外部邊緣的淺層沉積物中。（如圖1）（1）海洋中的天然氣水合物海洋中的天然氣水合物通常存在于水深5004000 m(壓力為540 MPa)、溫度2.525的環(huán)境中。迄今為止,發(fā)現最富集的海洋水合物礦床位于沿緊鄰老洋殼的被動大陸邊緣沉積物中,最著名的是美國東南海岸的布萊克外海嶺。對布萊克海嶺的初步評價認為,其中很小的

22、地區(qū)所含的甲烷等量于美國數百年來的天然氣用量總和。（2）永凍層中的天然氣水合物永凍層中的天然氣水合物存在于極地的低壓低溫區(qū),在俄羅斯、加拿大和阿拉斯加的陸地及大陸架上均有發(fā)現,是以一種永凍的水冰和水合物的混合物形式存在的。Max等認為,海域永凍層水合物是在陸架暴露出水面時,最近一次冰川作用下形成的,之后在海進期陸架被淹沒。（3）水合物層之下的常規(guī)天然氣藏含水合物巖層可對常規(guī)油、氣藏起到屏蔽作用,氣水合物層之下往往有大型常規(guī)氣藏。與水合物相關的甲烷既可產出于水合物本身,也可圈閉于水合物穩(wěn)定帶下方。圈閉于天然氣水合物帶的常規(guī)天然氣或石油比包含于氣水合物中的非常規(guī)天然氣在目前更具經濟價值。5.3.1

23、.2 天然氣水合物的開采方法 天然氣水合物的開采實質上就是使地下的水合物分解，再將分解出來的甲烷氣體抽到地面上來。依據水合物相平衡原理，天然氣水合物的開采通常有降壓法、熱激法和試劑注入法3種基本方法。（1）減壓法減壓法是指通過鉆探方法或其他途徑降低水合物層下面的游離氣體聚集層位的平衡壓力,當壓力達到水合物分解壓力時,界面附近的天然氣水合物轉化為氣體和水。降低壓力能達到水合物分解的目的。一般是通過在水合物層之下的游離氣聚集層中“降低”天然氣壓力或形成一個天然氣“囊”(由熱激發(fā)或化學試劑作用人為形成),與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水。這種技術在西西伯利亞的Messoyhaka氣

24、田得到了應用。開采水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的一種有效方法,另外通過調節(jié)天然氣的提取速度可以達到控制儲層壓力的目的,進而達到控制水合物分解的效果。減壓法最大的特點是不需要昂貴的連續(xù)激發(fā),因而可能成為今后大規(guī)模開采天然氣水合物的有效方法之一。（2）熱激法該方法是指在壓力一定的條件下,注入蒸氣、熱水、熱鹽水或其它熱流體,也可采用開采重油時使用的火驅法或鉆柱加熱器法,對水合物穩(wěn)定層進行加熱,將設計區(qū)段的溫度提高到分解溫度,這一溫度下,所注熱量完全用于水合物的分解作用。再用導管將析出的天然氣收集于貯藏器內或采取采集常規(guī)天然氣輸氣管道的方式將其輸送到船載貯藏器。這種方法的問題在于儲層和水中的大量

25、熱能損失,效率很低。特別是在永久凍土區(qū),即使利用絕熱管道,永凍層也會降低傳遞給儲集層的有效熱量。如果沒有熱損,注入能量是開發(fā)能量的10%左右;有熱損時,注入能量可能會超過氣體的價值。這種方法非常昂貴,且要求向下注熱和向上采氣同步進行。近年來,為了提高熱激法的效率,人們采用了井下加熱技術,井下電磁加熱方法就是其中之一。實踐證明電磁加熱法是一種比常規(guī)開采技術更為有效的方法,其在開采重油方面已顯示出它的有效性,該方法的使用將會給熱激法帶來不錯的前景。（3）試劑注入法采用諸如鹽水、酒精等抑制劑流體,可降低水合物的凍結點,將抑制劑注入井內會引起熔融。近來人們又發(fā)現了另外兩種新型的阻止技術,即以表面活性劑

26、為基礎的反聚結技術和阻止晶核成長的動力學技術。其總體思想都是注入某些化學試劑,以改變水合物形成的相平衡條件,促進水合物分解。此方法較熱刺激緩慢得多,花費昂貴,但初始輸入能量較低。由于海洋水合物中壓力太高,用這種方法可有效地改變相界曲線,但回采氣體較困難。（4）其他開采技術Holder等人對水合物的開采技術進行過大量的研究,除上面介紹的3種方法外,還提出了置換開采和混合開采的理念。置換法的原理是甲烷水合物所需的穩(wěn)定壓力較CO2高,在某一壓力條件下,甲烷水合物不穩(wěn)定,而CO2水合物卻是穩(wěn)定的,這時CO2進入到天然氣水合物中,與水形成水合物,這時所釋放的熱量可用于分解天然氣水合物。用CO2水合物來置

27、換天然氣水合物的研究已經開展起來,然而復雜的相變過程可能會給這一方法的實施帶來一定的困難。混合法原理是先將洋底粉碎,開采混有固體水合物的混合物,在提升過程中水合物就可能分解?；旌祥_采法目前還沒有深入研究,但也很有建設性意義。從以上各方法的使用來看,僅采用某一種方法來開采水合物是不明智的,只有綜合不同方法的優(yōu)點才能達到對水合物的有效開采。降壓法和熱激法技術的聯合使用是目前最受推崇的方案,用熱激發(fā)法分解氣水合物,而用減壓法提取游離氣體。5.3.1.3 水合物勘探開發(fā)前景海洋氣水合物是全球天然氣水合物資源開發(fā)的重頭戲,不僅因為海洋氣水合物占總資源量的大半以上,而且分布廣泛,它不像陸上天然氣水合物僅局

28、限在少數的幾個高緯度國家的永凍帶或兩極,對那些濱海而又缺乏能源的國家來說,天然氣水合物則帶來了很大的希望和寄托。不僅含天然氣水合物地層本身存在巨大無比的甲烷資源,而且往往在含天然氣水合物層之下同時還蘊藏了巨大的常規(guī)天然氣資源。在永凍區(qū)開發(fā)常規(guī)天然氣,不可避免地會遇到天然氣水合物問題。一般來說,永凍區(qū)的天然氣水合物形成深度總是淺于常規(guī)氣藏的深度,它像蓋層一樣封閉了其下的常規(guī)天然氣,高濃度的水合物和與氣有關的水合物蓋層的探測為深層的烴類勘探提供了指導。因此,開發(fā)天然氣水合物不是單一的資源開發(fā),而是一種綜合開發(fā)。5.3.2 多金屬結核礦多金屬結核（亦稱錳結核、鐵錳結核、錳礦球）是一種富含多種金屬元素

29、，主要由鐵錳氧化物和氫氧化物組成的“球狀”沉積物。多金屬結核由核心和殼層兩部分組成。多金屬結核為黑色、綠黑色到褐色，其表面有三種類型：粗糙表面、光滑表面、葡萄狀表面，結合硬度變化較大。結合核心有四類：老的多金屬結合碎塊、深海沉積物、火山碎屑、生物骨骼。結核中除有鐵錳外，還含有銅、鎳、鈷、等30多種金屬元素、稀土元素和放射性元素。其中最有價值的是銅、鎳、鈷、錳。多金屬結核礦物種類繁多，其中錳礦物有鋇鎂錳礦、布塞爾礦、鈉水錳礦、水羥錳礦、軟錳礦、拉錳礦、恩蘇錳礦、硬錳礦、鐵鋅錳礦、鈣錳礦等，鐵礦物有針鐵礦、赤鐵礦、四方纖鐵礦、水鐵礦、磁赤鐵礦等。另外，多金屬結核的層間和層內還含有粘土礦物（蒙脫石、

30、伊利石）、沸石礦物（鈣十字沸石、斜方沸石）、石英、長石、蛋白石、重晶石。5.3.2.1多金屬結核的分布多金屬結核分布與地層水氧的含量有關，含氧量高的地方，結核富集；反之，結核貧乏。多金屬結核存在世界各大洋，主要遍布世界各地2006000m深海處，以太平洋深海區(qū)的表層特別多。多金屬結核的主要控制因素有：水深、沉積物間隙水的pH值Eh值、堿度，構造環(huán)境等。75.3.2.2多金屬結核的開采方法8 多金屬結核開采的基本任務是按生產規(guī)模,從五、六千米的深海底,將多金屬結核連續(xù)、高效地采集并輸送到海面采礦船上。要求具有高度的可靠性、先進性和經濟性。在過去二、三十年的研究開發(fā)過程中,一些國家提出并試驗過多種

31、開采方案,主要有以下幾種。(1)連續(xù)鏟斗提升采礦系統(tǒng)連續(xù)鏟斗提升采礦系統(tǒng)(continuous linebucket system)簡稱CLB法。它由采礦船、鏟斗、高強度尼龍纜索等組成。長15km的尼龍纜索上以一定的間距(2550m)懸掛的系列鏟斗,通過尼龍纜索從海面船只(一船或多船)到海底的連續(xù)回轉來進行采礦作業(yè)。該系統(tǒng)具有開采和提升兩個功能。這類采礦技術具有系統(tǒng)簡單、成本較低的優(yōu)點。但是若在一船上操作,尼龍纜索環(huán)路的兩端易纏結,影響開采效率,兩只船涉及到配合移動和成本等問題,所以影響了其進一步的發(fā)展。(2)管道提升采礦系統(tǒng)管道提升采礦系統(tǒng)(pipeline lift miningsyste

32、m)是目前各國(包括中國)研究開發(fā)的重點。該系統(tǒng)基本工作原理是利用液體提升固體懸浮物,即從采礦船上吊下輸送管到海底,集礦裝置把收集到的多金屬結核礦石送到提升管道口,再利用液流的循環(huán)(利用氣舉或射流原理)將礦石通過管道輸送到地表。船體可在開采時做有一定限度的縱向或橫向移動。該采礦系統(tǒng)適用于大規(guī)模有效開采海底多金屬結核礦。(3)穿梭潛水集礦機系統(tǒng)穿梭潛水集礦機系統(tǒng)(cross-country divecollectine convergor system)是由長、寬、高分別為24m、12m、7.5m的穿梭潛水集礦機在海底采集多金屬結核礦石,當采集到一定數量后上升至海面,把采集到的礦山卸到海面平臺上

33、,然后用廢石料作為壓載物再下沉到海底繼續(xù)開采,如此循環(huán)作業(yè)。該系統(tǒng)具有靈活機動、采礦效率高的特點。但由于儀器和設備較多,控制操作比較復雜,影響作業(yè)的可靠性。(4)海底自動采礦系統(tǒng)海底自動采礦系統(tǒng)(automatic submarinemining system)是連續(xù)鏟斗提升采礦系統(tǒng)和穿梭潛水集礦機系統(tǒng)的結合體。即是加設了提升管道的“穿梭集礦系統(tǒng)”，或是由遙控潛水采礦機代替連續(xù)鏟斗采礦系統(tǒng)。5.3.2.3多金屬結核開采前景9 深海采礦的發(fā)展主要經歷以下幾個階段:第一階段1873年英國挑戰(zhàn)者號海洋考察船發(fā)現錳結核到上世紀60年代以前,人類的探索只是出于好奇。第二階段自60年代到80年代,由于對深

34、海采礦過于樂觀的估計,人類對大洋多金屬結核進行大規(guī)模研究試采活動。第三個階段技術儲備,由于多方面因素,深海采礦無法進行商業(yè)開采,研究開發(fā)有所緩慢,但是有兩點不容忽視,一是對深海采礦起步較晚的國家出于對未來的考慮,充分利用這一階段,抓住機遇,力爭趕上世界那些技術上已具有開采能力的國家;第二點是早起研究國家充分利用技術優(yōu)勢帶動相關產業(yè)發(fā)展,這反過來對深海采礦技術給予完善和技術儲備。第四階段為商業(yè)開采階段,根據專家預測,本世紀30年代有可能進入商業(yè)開采。作為礦產資源不足的中國,應該抓住機遇,努力開發(fā)深海采礦技術,以期達到與其它發(fā)達國家同步進入商業(yè)開采。5.3.3 海底熱液礦的開采方法海底熱液硫化物，

35、亦稱多金屬硫化物、塊狀硫化物，是指海底熱液作用形成的一種礦物資源，是匯聚或發(fā)散板塊邊界巖石圈與大洋（水圈）在洋脊擴張中心、島弧、弧后擴張中心及板內火山活動中心發(fā)生熱和化學交換作用的產物，一般富含銅、鉛、鋅、金和銀等金屬，同時副產物有鈷、錫、硫、硒、錳、銦、鉍、鎵與鍺等，是20世紀60年代繼大洋多金屬結核和富鈷結殼后發(fā)現的另一種海底金屬礦產資源類型。5.3.3.1 海底熱液礦的分布 在世界大洋水深數百米至3500m處均有分布，從地質構造上看，主要分布在3500m深處的大洋中脊、海隆和弧后盆地的擴張中心，同時島弧以及海山等也有少量分布。海底熱液礦床的成礦作用多與海底張裂作用有關。礦床多發(fā)育在洋中脊

36、（65%）、弧后盆地（22%）、海底火山?。?2%），并且一般在其張裂作用階段形成。這是由于擴張中心及附近的海水和巖漿在海底對流循環(huán)過程中進入斷裂裂隙中并發(fā)生了水巖反應，促成硫化物的沉淀與堆積，沉積下來的硫化物在不斷進行的構造運動中被快速埋藏，從而形成礦床。105.3.3.2海底熱液礦的開采方法11目前已有多家企業(yè)在積極地進行開采海底熱液礦床可能性的探索,并紛紛制定了海底硫化物礦床的開采計劃。（1） 海王星公司海王星公司委托法國的TECHNIP公司對新西蘭的礦床完成了工程設計報告, 設計了兩種可能的開采系統(tǒng)。提出的硫化物開采系統(tǒng)包括動力定位船,軟管、空氣泵輸送系統(tǒng)及由其連接的海底破碎機和采礦機

37、等組成,該系統(tǒng)的優(yōu)點在于可在大范圍內不同的礦點進行開采。試驗系統(tǒng)由兩個分系統(tǒng)組成,第1個分系統(tǒng)為分揀破碎系統(tǒng),主要用于開采突起的海底熱液煙囪和上層礦;第2個分系統(tǒng)為履帶采礦車開采系統(tǒng),用于經分揀破碎系統(tǒng)平整后的礦區(qū)開采。采礦船包括起居室、動力站、空壓機、脫水裝置、起吊和提升裝置、輔助和維修設備、工作級ROV。ROV由采礦船上的型架下放至海底開采區(qū)和巖石分揀器之間,的抓巖機械手抓取海底熱液煙囪和上層礦,快速地對突起的礦體進行分揀。開采區(qū)域經分揀和破碎后,履帶采礦車開始作業(yè),進行采集輸送。空氣、水、固體混合物注入采礦船上的加壓分離裝置,空氣壓力下降到8,泥漿經閃蒸罐降至1個大氣壓,泥漿通過震蕩篩,

38、濾出更大的顆粒,底流經過水力旋流器脫水后,輸送至儲倉。在200深時,底流中小于50的顆粒經過水落管時自動泄出。(2)鸚鵡螺公司根據鸚鵡螺公司年度報告,鸚鵡螺公司針對巴布亞新幾內亞的索瓦拉(Sowara)礦藏提出的熱液硫化物開采方法,采用特定的海底采礦設備,立柱插入海底,帶有旋轉的切割頭,邊切割邊輸送,破碎后經軟管輸送至軟管接頭,通過立管提升至水面船。有兩種不同的吊放方式:一種是采礦車和臍帶纜一起在月池內下放,另一種是臍帶纜由船尾的形架來吊放。（3）其他公司 熱液礦床有塊狀和軟泥狀兩種，對于塊狀的來說，由于分布集中、礦石硬度高、密度大，需要用自動控制的海底鉆探，然后在鉆孔內爆炸，炸碎礦體，隨后用

39、集礦機和揚礦機與采集錳結核類似的方法輸送到水面進行加工。 開采多金屬軟泥管需要用在采礦船下拖一根2000多米長的鋼管柱，柱末端有一個抽吸裝置。由于這種多金屬軟泥比牙膏還稠，要在抽吸裝置內裝一種電控擺篩，它能使粘稠的軟泥變稀，通過真空抽吸裝置和吸礦管吸到采礦船上來，經過泡沫浮選法處理，除去水分，最后就可以獲得金屬的濃縮物。這些濃縮物運往冶煉廠加工提出金屬物質。5.3.3.4海底熱液礦開采前景12海底熱液礦床是極有開發(fā)價值的海底礦床，在我國專屬經濟區(qū)內南海有可能存在但品味可能較低；沖繩海槽區(qū)則情況復雜。考慮到許多海底熱液礦點都在某些沿海國家的專屬經濟區(qū)內，聯合國海洋法公約生效后，對這些礦區(qū)的勘探研

40、究也許在深化人類對海底熱液礦床上有積極意義，但對我國的資源儲備來講意義不大，我們應立足于尋找國際海底的熱液礦床。現代海底金屬硫化物成礦作用與陸地上的塊狀硫化物礦床具有極強的相似性，是古老礦床的現代等同物，因此，現代熱液活動區(qū)是研究塊狀硫化物成礦理想的天然實驗室。為了在新一輪國際海底“圈地”運動中獲得主動權，在硫化物礦床圈定中不失先機，盡快找到高品位、易開采的硫化物礦床，搶占有利資源，是當務之急。我國近期要加強圈礦技術、深海資源評價技術的研發(fā)，為我國申請品味高、儲量大、開采儲運成本低的有價值的海底熱液礦區(qū)提供基礎資料。5.3.4海灘與近海礦砂的開采技術13砂礦是在水下環(huán)境中有碎屑礦物顆粒的機械富

41、集作用形成的礦床，其存在與海灘和近海海底。人們不僅可以從這些灰黃的泥沙中掏出金燦燦的黃金，提煉出原子能、航空、冶金和國防工業(yè)的原料，如鋯、鈦、錫、鉑還可以用它來煉鐵，就是砂子本身也是建筑上不可缺少的重要材料，如可用來制混凝土，以及用于玻璃和砂輪的生產中。大陸上露于地表的各種巖石和礦藏長期經受著雨淋日曬和冰霜風雪的侵蝕。巖石暴露在地表，白天受太陽強烈照射，因為巖石導熱性比較差，巖石表面的溫度比內部高，夜間表面的散熱失快，溫度又比巖石內部低。由于巖石各個部分受熱不均，溫度變化又不一致，使巖石反復發(fā)生不均勻的膨脹、收縮，天長日久便慢慢消解，破碎成有粗有細的碎屑。除了物理風化作用外，物質還會發(fā)生化學風

42、化作用，即有些礦物在空氣中與氧、水作用，發(fā)生氧化、溶解、水解而被破壞。結晶巖中有些礦物含有二價的鐵離子，二價鐵在空氣中也像鐵器生銹一樣，很容易氧化，變成三價鐵，這就使原有的礦物遭到破壞，進而使整個巖石分解。分解出來的一部分礦物因為具有硬度小、易破裂等特殊的物理性質，在流水般云中很易破裂而變小消失。當巖石中這些已風化的礦物被破壞后，那些不易風化、化學性質穩(wěn)定、相對密度大的礦物就分離出來，并被流水、冰川或風搬運到河口和海灘上，又經波浪、沿岸流和潮流日夜不停地反復淘洗、分選，一些硬度低的礦物被進一步磨碎，隨同密度低的礦物一起被卷向遠離海岸的地方，而密度大的礦物就在海灘上集中起來，從而形成海濱礦砂。所

43、以，礦砂的行程需要有原始物源、風化侵蝕作用。搬運作用和富集作用四個過程。5.3.4.1礦砂的分布海濱砂礦分布十分廣泛，礦種也很多，由于分布在海濱地帶或水深不大的海域，因而比其他海底礦產的開采技術容易得多。此外，它們經過水流的掏刷和分選，分布比較集中，品位比較高，往往有含有可供綜合利用多種礦產，所以在目前海底礦產資源的開發(fā)中，產值僅次于海底石油，而列居第二位。大多數砂礦存在于離源地幾公里的范圍內，因而海洋礦砂實際上被限制在海灘和近海淺水區(qū)，水深不過幾十米。但是，古代礦砂可存在于古沉沒海灘或是在大陸架最外邊的溺谷中。砂礦最富集的地帶與現代海岸線或古海岸線相平行，成條帶狀分布，延伸好幾公里到數十幾公

44、里以上。有些地區(qū)由于海平面的變化，是原來形成的海濱礦砂發(fā)生了位移。當海平面下降時，原來的海濱礦砂就會露出海面，被抬高到附近的岸上；當海平面下降時，原來的海濱砂礦又被覆蓋在淺海海底，成為埋藏于現代沉積物層下面的舊海濱砂礦和河谷砂礦。沉沒在海底下的河谷砂礦往往埋藏的比較深，有事沿著埋沒的河谷延伸到離海岸幾百公里的地方。例如泰國的海底河谷錫砂礦就埋藏在2740m深的古河道沉積層中；印度尼西亞的錫砂礦則從海岸向海延伸8km之遠。5.3.4.2海濱礦砂的開采海濱砂礦種類很多，多使用采砂船進行開采。采砂船上沒有采礦、選礦和脫水設備。由于砂層厚度和海水深度不同，使用的開采方法也不同。開采海濱礦砂，比開采其他海底礦產要容易得多，但與陸上采礦相比，仍然受到許多條件的限制，特別是海區(qū)的風浪，嘗試采礦船不能連續(xù)作業(yè)，所以開采成本比較高。但一般不用炸藥爆破和破碎工作；礦床貯存在海底的上部，開采時一般不用剝離，在開采的同時還可以進行初選，把廢砂排回海中，提高礦砂品位，以便運輸。常用的開采砂礦的方法有鏈斗式采礦船、吸揚式采礦船、抓斗式采礦船和空氣提升式采礦船。多鏈斗采砂法（1）多鏈斗采砂法多鏈斗采砂船是大型材砂設備，生產成本也很低，并能在船上進行采、選和排棄尾砂工作，因而使用的很廣泛。采礦機械是