海底多金屬硫化物勘探取樣技術(shù)與裝備研究

　　摘要：海底多金屬硫化物因富含多種金屬元素和稀有元素，已逐漸引起了人們重視，并開(kāi)展了一系列的勘探活動(dòng)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展的多金屬硫化物調(diào)查勘探作業(yè)中使用的取樣技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了介紹,并對(duì)取樣技術(shù)的發(fā)展提出了一些建議。

　　關(guān)鍵詞：多金屬;硫化物;勘探;取樣;裝備

　　海洋論文投稿刊物：《廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)》第一、第三、第四、第六期為自然科學(xué)，第二、第五期為社會(huì)科學(xué)。自然科學(xué)主要刊登海洋與水產(chǎn)科學(xué)基礎(chǔ)理論，海洋環(huán)境調(diào)查與保護(hù)，海洋、水產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與利用，海洋漁業(yè)，漁船、漁業(yè)機(jī)械與儀器，水產(chǎn)增養(yǎng)殖技術(shù)，水產(chǎn)病害防治，水產(chǎn)品加工、貯運(yùn)與綜合利用等方面的學(xué)術(shù)論文。

　　0引言

　　隨著ODP、DSDP等深�？碧交顒�(dòng)的不斷深入,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大洋鐵錳結(jié)核、富鉆結(jié)殼以及多金屬硫化物等海底礦產(chǎn)資源。其中多金屬硫化物因富含Cu.Fe.Zn等金屬元素和Au、Ag等稀有金屬元素，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，且賦存水深淺,被認(rèn)為是有可能最早被人類(lèi)所利用的深海礦產(chǎn)資源之一。多金屬硫化物，也稱(chēng)塊狀硫化物(seafloormassivesulfide,SMS),是巖石圈與大洋(水圈)在島弧、板內(nèi)火山活動(dòng)中心、洋脊擴(kuò)張中心等位置發(fā)生熱和化學(xué)交換作用形成的硫化物礦床及伴生的礦物資源，按形態(tài)的不同可以分為海底多金屬軟泥和海底多金屬硫化物礦床兩種。

　　1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　自1963〜1965年國(guó)際印度洋調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)熱液多金屬軟泥后，海底熱液活動(dòng)研究的序幕就此揭開(kāi)。世界上幾個(gè)主要的工業(yè)國(guó)家，包括俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)、日本、澳大利亞等，均先后制定了勘探和開(kāi)發(fā)海底多金屬硫化物的國(guó)家計(jì)劃。除此以外，幾個(gè)國(guó)際大型資源開(kāi)發(fā)商和投資商也介入海底多金屬硫化物礦的商業(yè)化開(kāi)采中，其中以Nautilus和Neptune礦業(yè)公司為先驅(qū)代表，均擁有近20萬(wàn)平方公里的SMS勘探執(zhí)照區(qū)和申請(qǐng)區(qū)，并針對(duì)制定的海底塊狀硫化物開(kāi)發(fā)計(jì)劃，相繼開(kāi)展了一系列勘探活動(dòng)。我國(guó)海底多金屬硫化物研究起步較晚,首次參加的熱液活動(dòng)調(diào)查要追溯到1988年7〜8月中德科學(xué)家合作SO-57航次對(duì)馬里亞納海槽區(qū)熱液多金屬硫化物的研究。隨后我國(guó)開(kāi)始積極參與并組織熱液活動(dòng)調(diào)查。

　　2005年以來(lái)，隨著海洋裝備的不斷發(fā)展和升級(jí),我國(guó)多次執(zhí)行環(huán)球大洋科學(xué)考察任務(wù),不僅陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)海底熱液區(qū)和熱液異常區(qū)，還采獲了大量的熱液多金屬硫化物和相關(guān)沉積物樣品。2010年,我國(guó)向聯(lián)合國(guó)國(guó)際海底管理局提交了西南印度洋的硫化物礦區(qū)申請(qǐng)，并在2011年獲得核準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)外均針對(duì)海底硫化物進(jìn)行了大量的勘探活動(dòng)，涉及拖網(wǎng)、水下機(jī)器人(ROV)、電視抓斗、鉆探船鉆探、海底鉆機(jī)等多種取樣方式。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外在海底多金屬硫化物勘探中所采用的取樣技術(shù)和裝備進(jìn)行介紹。

　　2取樣技術(shù)與裝備

　　2.1拖網(wǎng)挖掘取樣

　　拖網(wǎng)挖掘取樣是通過(guò)船舶將專(zhuān)用拖網(wǎng)下放至海底后，從取樣目標(biāo)區(qū)域一側(cè)開(kāi)航至另一側(cè)進(jìn)行拖曳取樣的方式。2005年3月，Nautilus公司曾與其合作商進(jìn)行了拖網(wǎng)挖掘取樣，取樣中使用的是一種雙壁開(kāi)溝犁式環(huán)形拖網(wǎng)。拖網(wǎng)中取到的樣品大小不一，通常較大塊的樣品在攝像后密封儲(chǔ)存在塑料桶中，礦泥則會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)定。

　　2.2ROV海底取樣

　　ROV是多金屬硫化物勘探中使用的重要設(shè)備。除采樣需要的樣品容器、帶卡爪的機(jī)械手外，ROV上還配備了包括攝像機(jī)、深度高度等傳感器、視頻信號(hào)捕捉與覆蓋系統(tǒng)、海底剖面測(cè)繪儀、測(cè)深系統(tǒng)、微陀螺ROV位置信標(biāo)等設(shè)備。確定目標(biāo)礦區(qū)后，利用船舶將ROV放至海底!通過(guò)ROV上配備的攝像機(jī)等設(shè)備確認(rèn)需要采樣的海底巖石后，利用ROV的機(jī)械手破碎巖石后放置在ROV上單獨(dú)的樣品籃中。ROV返回水面后，對(duì)抓取的樣品進(jìn)行確認(rèn)，并與攝像進(jìn)行比較，記錄樣品的特征。在2006〜2011年間,Nautilus利用ROV進(jìn)行了多次海底取樣。

　　2.3電視抓斗取樣

　　電視抓斗取樣是集海底電視攝像頭、光源及電源裝置等多種設(shè)備于一體的深海底采樣設(shè)備!其主要組成部分包括抓斗、電纜和操控系統(tǒng)。其工作過(guò)程可以簡(jiǎn)述為當(dāng)調(diào)查船航行至目標(biāo)地點(diǎn)后,將抓斗放至海底以上5〜10%的位置，調(diào)查船慢速航行!采樣人員在甲板上通過(guò)顯示器觀察海底攝像頭傳回的圖像，確認(rèn)采樣目標(biāo)后向操控系統(tǒng)發(fā)送指令控制抓斗的開(kāi)合,完成一次取樣電視抓斗在深海及大洋中脊資源調(diào)查,特別是在深海底塊狀硫化物、多金屬結(jié)核等勘查中應(yīng)用較多。我國(guó)在2009年DY21航次中，在南大西洋洋中脊上利用我國(guó)自主研制的深海電視抓斗,首次獲取塊狀熱液硫化物樣品。在DY26航次中完成電視抓斗取樣56站。

　　2.4鉆探船巖心鉆探取樣

　　鉆探船巖心鉆探取樣與傳統(tǒng)海洋鉆探基本一致，均是利用鉆探船上的鉆機(jī)進(jìn)行鉆探。Nautilus在2006年的多金屬硫化物勘探中使用了DPHunter進(jìn)行鉆探根據(jù)地層的性質(zhì)選用了不同類(lèi)型的取心工具,但取心方式均為繩索取心。在松軟沉積物中取樣時(shí)使用了液壓活塞取心器;在巖石中取樣時(shí)，則采用了超前的鉆頭裝置，巖心管直徑61%%。盡管在鉆探中獲取了埋藏在煙囪礦化下的高品位硫化物，而且分析結(jié)果表明，各種礦物的平均品位與早前獲得的礦石品位很大程度上類(lèi)似，但由于巖心收獲率較低，代表性不足，無(wú)法代表真實(shí)品位，因此分析結(jié)果沒(méi)有用于資源量的計(jì)算。

　　2.5海底巖心取樣鉆機(jī)取樣

　　海底巖心取樣鉆機(jī)是進(jìn)行海底礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)調(diào)查等不可缺少的重要裝備!一般裝備于大型海洋科學(xué)考察船上,通過(guò)電纜下放至海底,進(jìn)行可視遙控操作鉆孔取心。海底巖心取樣鉆機(jī)的研發(fā)可以追溯到20世紀(jì)80年代，目前世界上一般按鉆深對(duì)海底鉆機(jī)進(jìn)行分類(lèi),鉆孔深度小于5%的稱(chēng)為海底淺孔巖心取樣鉆機(jī)，鉆孔深度在5〜50%的稱(chēng)為海底中深孔巖心取樣鉆機(jī)，而鉆孔深度在50%及以上的稱(chēng)為海底深孔巖心取樣鉆機(jī)。

　　迄今為止，美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家先后開(kāi)發(fā)了多臺(tái)海底深孔巖心取樣鉆機(jī)，部分已經(jīng)應(yīng)用于深海鉆孔取心，但均存在不同程度的技術(shù)問(wèn)題。由于受技術(shù)封鎖，直到2000年，我國(guó)才成功研制出第一臺(tái)深海淺地層巖心取樣鉆機(jī)。在海底巖心取樣鉆機(jī)進(jìn)行取樣時(shí),使用的取心方式分為提鉆取心和繩索取心。由于提鉆取心方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)難度和精度相對(duì)較低，在淺孔和中深孔鉆機(jī)中的應(yīng)用較多&但每次進(jìn)行提鉆取心作業(yè)時(shí),都要將全部鉆桿提出井孔，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，易出現(xiàn)卡鉆、塌孔等事故。相比之下采用繩索取心方式作業(yè)時(shí)，由于外鉆桿的存在，能夠有效減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，在鉆穿復(fù)雜地層方面優(yōu)勢(shì)明顯，因此在深孔海底鉆機(jī)中，多采用繩索取心方式。2008〜2011年,Nautilus公司在多金屬硫化物的勘探中多次使用海底鉆機(jī)進(jìn)行取樣!其使用的鉆機(jī)是由重型工作級(jí)ROV提供液壓動(dòng)力、通訊與控制，使用的取心方式均為繩索取心。

　　4結(jié)論

　　綜上所述，拖網(wǎng)取樣、電視抓斗、ROV海底取樣雖然易于實(shí)施，但其取樣深度受到限制，在多金屬硫化物勘查評(píng)價(jià)中只能獲取海底表層樣品，無(wú)法取得深部的多金屬硫化物樣品。鉆探船巖心鉆探取樣和海底鉆機(jī)因取樣深度較深!能夠查明多金屬硫化物礦的構(gòu)造、礦體展布等，已逐漸成為多金屬硫化物勘探中進(jìn)行資源評(píng)價(jià)的重要手段。

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