[科普中国]-海底采矿

海底采矿是对海底矿产资源进行开采的工作，主要采集水深较浅的海底表层沉积物，如砂矿、磷灰石及多金属结核等。现阶段海底资源的开采关键技术主要有 2 个方面：一是海底矿体的采掘；二是矿石的水下提升运输。而其中的核心是技术难度较大的海底采矿设备和矿石提升设备。目前， 世界上公认的最有应用前景的海底开采装置有 3 种：链斗式采矿装置、 气压式采矿装置和水泵式采矿装置。

海底矿产资源的勘探及开发现状与陆地矿产资源开发一样，在开采海底矿产之前，也必须进行大量的地质勘查工作，研究矿床的地质成矿条件， 掌握矿床的地质构造和成因， 查明目标矿床的分布范围、 面积、 埋深、 储量、 品位以及当地自然条件和海陆运输能力等。在此基础上， 根据矿产的形态选择合适的开采方法、 装备和设施。然而， 就人类对海底矿物资源的了解情况而言，可以认为， 迄今为止海底仍然是一个未知的世界。据美国国家科学院专家估计，99%的海底尚未得到勘查或调查。其原因很简单， 一是海底勘察的难度比陆地大得多， 必须依赖强力技术支持；二是相对容易的陆地资源尚未枯竭，人类对海底资源开发的需求并非迫切。所以， 人类对整个海底的研究尚处于较为初始的阶段， 不仅对海底的区域地质构造、 地层、 岩性等情况研究甚少， 甚至连几个大洋海底的地貌也没有完全掌握， 只是对一些已知区域进行了比较详细的研究与勘查。根据卫星测高技术资料， 超过 1 000 m 的海底山大约有 10 万座， 仅在太平洋就有约 5 万座， 而迄今只对其中 15 座进行了填图和取样1。

根据已经掌握的资料， 目前人类可以利用的海底矿物资源主要有以下几种形式：①多金属结核(锰结核)；②海底 “黑烟囱” (锰结核)；③富钴的铁锰结核壳；④多金属硫化矿。迄今发现的海底热泉有 300 多处， 其中 65 % 在大洋中的山脉， 22 % 在弧后盆地，12 %在火山岛弧， 1 % 在板块中央弧。1978 年发现了第一个海底多金属硫化矿床， 位于东太平洋海底高地， 高达 10 英尺。

众所周知， 按照现代地质学理论， 海底矿床的形成与陆地矿床的成因基本上是一致的。所以大多数陆地资源的勘查技术都可以移植到海底资源勘察， 只是需要克服海洋的特殊环境所带来的许多困难， 比如海水的压力、 海水的腐蚀、 海底的黑暗等因素。经过多年开发应用的海洋大陆架矿床资源的勘探与开采技术、 海上油气开采的钻井平台技术以及海底石油勘探技术等都可以直接用于海底金属矿物的勘探与开采。在陆地勘探应用已经成熟的航测、 遥感、 磁测技术以及海洋声纳探测技术都已应用于海底资源的勘探。地震反射勘察技术(Seismic reconnaissance) 使得海底勘探比陆地成本更低， 并且勘探深度可达近2 000 m。现在用于深海勘探的拖曳舱、 遥控舱、 海底机器人等技术日臻成熟， 已经大量应用于深海资源的勘探与开发作业1。

海底矿产资源开采的技术特点目前， 海底金属矿产资源的开发刚刚起步， 还停留在深海底面表层矿产资源的开发阶段， 开采方式还是以挖掘海底的松软岩体为主。在海底金属矿产资源开发处于前沿的两家公司分别是加拿大的鹦鹉螺矿业公司(Nautilus Minerals)和总部设于澳大利亚的海王星矿业公司(Neptune Minerals)。现阶段海底资源的开采关键技术主要有 2 个方面：一是海底矿体的采掘；二是矿石的水下提升运输。而其中的核心是技术难度较大的海底采矿设备和矿石提升设备。目前， 世界上公认的最有应用前景的海底开采装置有 3 种：链斗式采矿装置、 气压式采矿装置和水泵式采矿装置。链斗式采矿装置是在高强度的聚丙二醇脂绳上每隔 25 ～50 m 安装 1 个采矿戽斗， 开采时船首的牵引机带动绳索， 使戽斗不断地在海底拖过，挖取锰结核并提升到船上。1970 年 8 月， 日本已在太平洋水深 4 000 m 处成功地进行了试验。气压式采矿装置是将集矿头置于洋底， 开动船上的高压气泵， 高压空气沿输气管道向下， 从输矿管的深、 中、 浅3 个部位注入， 在输矿管中产生高速上升的固、 液、 气三相混合流， 将经过筛滤系统选择过的结核提升至采矿船内， 提升效率约 30 % ～35 %。水泵式采矿装置是将高效的离心泵放在输送管道中间的浮筒内， 浮筒内充以高压空气， 支撑离心泵和管道浮在水中；由于高效离心泵的作用而产生高速上升的水流， 使锰结核和水一起沿管道提升至采矿船内2。

多金属软泥也是一种具有开采价值的深海矿产资源。德国已研制成功一种开采红海多金属软泥的装备， 即在采矿船下拖曳 1 根 2 000 m 长的钢管柱，柱的末端装有 1 个抽吸装置;装置内的电控摆筛能搅动像牙膏状的软泥， 通过真空抽吸装置、 吸矿管， 把含有海水的金属软泥吸到采矿船， 然后经过处理并除去水分， 最后即可获得含有 32 %锌、 5 %铜和 0.074 %银的浓缩金属混合物。

海底采矿与海洋环境海底采矿面临另一个严峻的问题就是对海洋环境的影响。现有的试验表明， 当对海底矿物进行开采时， 可以产生 3 大环境问题：

1)对海底产生巨大影响。当采矿器械进行矿物采集时， 将会严重的破坏海底表面达数厘米， 并产生巨大的涡流， 这将对海底的动植物产生灭顶之灾。

2)采矿船排放废水。当将矿石从海底提升到水面装船时， 不可避免的将大量的泥浆带入到海洋表面， 这将产生一些金属离子进入到海洋中造成污染。海底矿物的开采， 会将大量的海底泥浆带入到海洋表面， 使海水的透光性变差， 直接影响到海洋植物的光合作用， 同时， 温度较低的底层海水被带到上层海面，也会使海水的温度发生变化。

3)对海岸产生的影响1。

海底矿产资源开发的技术挑战首先是技术难题。目前人类所掌握的知识， 尚不足以对海洋矿产资源的形成进行完全的解释， 所以地质学家还不能像在陆地勘查找矿那样， 对海底矿藏进行找矿预测。20 世纪 70 年代末当人们在海底先后发现钴矿床和多金属硫化矿床时， 科学家们甚至感到非常惊奇。

其次是海底地貌复杂， 基本上由一系列海底山丘和峡谷组成；矿床位处深海， 不少海底资源位于海平面以下 3 000 m 到 5 000 m；海底岩性变化复杂， 从软泥到脆性岩壳， 以及坚硬岩体;海水压力随海洋深度增加而增加， 海底资源的开发要克服巨大的海水压力；深度在数百英尺而不是数千英尺时， 采矿并不困难， 人们在浅海开采锡矿、 磷灰石、 工业用沙和砾石的历史已经有几十年。

最后是海底矿床基础地质资料缺乏， 在一个一片漆黑的未知世界里， 开发海底矿物将有许多的基础问题需要解决3。

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学