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海底礦產(chǎn)資源及其應(yīng)用前景

隨著陸地上礦產(chǎn)資源的日益減少，人們自然把注意力移向海洋。海洋占地球面積的2/3，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源。世界上海底石油的產(chǎn)量已達(dá)到全部石油產(chǎn)量的30%左右。我國(guó)海上石油工業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，海底石油的產(chǎn)量可占到石油總產(chǎn)量的11%。分布十分廣闊的大洋金屬結(jié)核，因其含有豐富的Cu、Co、Ni等有用金屬，早已引起人們的重視，我國(guó)也已在東太平洋的C-C區(qū)圈定15萬(wàn)平方公里的開辟區(qū)，已獲聯(lián)合國(guó)的批準(zhǔn)。海底礦產(chǎn)資源十分豐富多樣。本文著重介紹海底熱液硫化物和天然氣水合物這兩種十分重要的資源。

海底熱液硫化物礦

1.1發(fā)現(xiàn)

1948年瑞典的信天翁號(hào)科學(xué)考察船在紅海中部考察時(shí)發(fā)現(xiàn)了水溫和鹽度異常，隨后在該處的進(jìn)一步調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了多金屬軟泥。研究認(rèn)為，這種多金屬軟泥的形成和海底擴(kuò)張有關(guān)。六十年代末七十年代初，在人們使用海底照相技術(shù)用于海底擴(kuò)張洋脊區(qū)的調(diào)查時(shí)，在大洋中脊發(fā)現(xiàn)了一系列的熱液噴口，并證明多金屬的軟泥正在那里沉積形成。1972年、1976年在哥拉帕哥斯擴(kuò)張脊和1984年在沖繩海槽進(jìn)行的海底熱流調(diào)查研究時(shí)都發(fā)現(xiàn)了很高的熱流異常。如沖繩海槽的某些測(cè)站的熱流值達(dá)到200多MW/M2，這比正常的海底熱流值高三倍多。隨后在這些區(qū)域進(jìn)行的深潛調(diào)查都發(fā)現(xiàn)了海底熱液硫化物礦的存在。此外，海底熱液硫化物礦的發(fā)現(xiàn)在很大程度上還依賴于人類深潛技術(shù)的成熟。美國(guó)ALVIN號(hào)深潛器、法國(guó)的NAUTILE號(hào)深潛器、前蘇聯(lián)的MIR號(hào)深潛器及日本的深海2000號(hào)和深海6500號(hào)深潛器都在海底熱液活動(dòng)及其熱液硫化物礦產(chǎn)的調(diào)查研究中起到了非常重要的作用。從1963年美國(guó)發(fā)現(xiàn)者號(hào)在紅海發(fā)現(xiàn)熱液成因的多金屬軟泥，到1979年Alvin號(hào)深潛器在東太平洋海隆發(fā)現(xiàn)正在生長(zhǎng)的熱液黑煙囪，直到現(xiàn)在，現(xiàn)代海底熱液硫化物礦產(chǎn)的調(diào)查研究已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的歷程。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們通過不懈的努力取得了令人注目的調(diào)查發(fā)現(xiàn)和研究成果。

1.2分布

隨著調(diào)查活動(dòng)的不斷進(jìn)行，海底熱液硫化物礦區(qū)的發(fā)現(xiàn)已從特定的區(qū)域拓展到大洋中脊，從弧后盆地拓展到板內(nèi)火山。很快，人們認(rèn)識(shí)到海底熱液硫化物礦在全球的海底是一種十分普遍的地質(zhì)現(xiàn)象。已經(jīng)知道，大洋中的三大構(gòu)造背景(大洋中脊，板內(nèi)火山和弧后盆地)普遍發(fā)育熱液硫化物礦。雖然對(duì)大洋中除大洋中脊、板內(nèi)火山和弧后盆地以外的其它地區(qū)沒有更多的調(diào)查資料，但可以肯定，大洋中構(gòu)造活動(dòng)的地區(qū)應(yīng)是海底熱液硫化物發(fā)育的主要場(chǎng)所。到目前為止我們已在世界海底發(fā)現(xiàn)了一百多個(gè)熱液硫化物礦化點(diǎn)。根據(jù)我們的研究結(jié)果，現(xiàn)代海底熱液硫化物主要分布在中低緯度的洋中脊的中軸谷和火山口附近，水深一般在2600米，處于洋中脊擴(kuò)張段地形較高的部位，并且擴(kuò)張速率和熱液活動(dòng)區(qū)的分布密切相關(guān)。

1.3潛在的巨大資源

從1978年在東太平洋海隆發(fā)現(xiàn)塊狀硫化物以后，熱液成礦的問題在現(xiàn)代海底熱液活動(dòng)的調(diào)查研究中得到了足夠的重視。到1993年在世界海底已圈定了139處熱液礦化點(diǎn)，其中多處資源量超過百萬(wàn)噸。如，東北太平洋海隆勘探者海脊的塊狀硫化物堆積體，直徑達(dá)200米，高為10米，儲(chǔ)量大于1.5Mt,北胡安得?？ê＜?處熱液堆積體，直徑400米，高60米，估計(jì)每處資源量超過1.0Mt，紅海阿特蘭提斯II海淵的熱液金屬儲(chǔ)量估計(jì)為94.0Mt,大西洋中脊TAG熱液活動(dòng)區(qū)的一處硫化物堆直徑250米，高50米，估計(jì)塊狀硫化物的儲(chǔ)量為5.0Mt。另外，根據(jù)對(duì)西太平洋勞海盆黑白煙囪體的調(diào)查研究，無(wú)論從規(guī)模大小還是硫化物的含量看，其儲(chǔ)量都不低于大西洋中脊TAG熱液區(qū)。加上綿延在4公里長(zhǎng)，200米寬的地帶中存在著數(shù)百個(gè)錳煙囪，按一般厚度4.5厘米計(jì)算，資源量估計(jì)超過10.0Mt?？梢娬麄€(gè)世界海底熱液礦產(chǎn)資源量十分可觀，資源開發(fā)前景十分誘人。

1.4我國(guó)的研究

早在1985年我國(guó)就有學(xué)者提出了熱液成礦的多元理論，并注意了洋脊地下熱液在Fe、Cu等硫化物沉淀中的作用。但這一時(shí)期我國(guó)在這方面的研究?jī)H限于理論研究和以國(guó)際合作的形式參與國(guó)外的調(diào)查研究。1988年和1990年中、德、美合作利用德國(guó)的太陽(yáng)號(hào)科學(xué)考察船兩次對(duì)馬里亞納海槽的熱液硫化物進(jìn)行調(diào)查。1993年，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所首次用科學(xué)一號(hào)在沖繩海槽進(jìn)行了一個(gè)航次的熱液礦床的調(diào)查，并在1994年3月再度組隊(duì)對(duì)沖繩海槽的熱液硫化物進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。1998年我國(guó)的大洋一號(hào)在馬里亞納海槽開展了首次大洋熱液礦點(diǎn)實(shí)驗(yàn)調(diào)查。我國(guó)經(jīng)過短短十幾年的大洋熱液礦產(chǎn)調(diào)查取得了較為注目的成績(jī)。如，我們?cè)跊_繩海槽的熱液樣品中發(fā)現(xiàn)金和銀的含量都很高。

 天然氣水合物

 現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基礎(chǔ)是對(duì)能源的占有和利用。當(dāng)今世界能源的80%來(lái)自化石燃料----煤、石油和天然氣。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)，人類對(duì)資源的需求也在逐年增大。按照我們傳統(tǒng)的化石燃料理論和勘探結(jié)果，人類行將面臨不可再生化石燃料資源的短缺問題。因此，尋找新型替代(或稱后續(xù))資源以解決資源短缺問題，維持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)也是世界各國(guó)共同面臨的重要課題。天然氣水合物自上個(gè)世紀(jì)在海底沉積物中廣泛發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其分布廣、資源量大、能量高而引起科學(xué)界的高度重視，并被認(rèn)為可望成為“21世紀(jì)行將枯竭的常規(guī)油氣能源的后續(xù)能源”。日本科學(xué)家的最新研究結(jié)果表明，日本的天然氣水合物探明儲(chǔ)量可供日本在石油和天然氣枯竭后使用140年。這一結(jié)果足以引起我們對(duì)天然氣水合物研究的高度重視。可以預(yù)計(jì)21世紀(jì)，天然氣水合物單從能源的角度來(lái)看將會(huì)扮演一個(gè)非常重要的角色。

 2.1穩(wěn)定賦存和分布

 天然氣水合物是一種水包氣(一般是甲烷)的籠形物，外形似冰。水分子形成一個(gè)籠形格架，中間為一個(gè)氣體分子。很多氣體分子的大小都適合于填充到籠形格架中形成水合物，如二氧化碳、硫化氫和一些低碳的碳?xì)浠衔?。一般地，如果籠形格架中充填了二氧化碳則稱為二氧化碳水合物，如果充填了甲烷則稱為甲烷水合物。研究表明，天然氣水合物是在一定的溫度-壓力條件下才形成并穩(wěn)定存在的。氣體水合物主要形成于低溫高壓的環(huán)境中。溫度范圍一般在-10℃—30℃，相應(yīng)的壓力范圍為1-100MPa。如果溫度升高相應(yīng)的壓力也必須升高。比如在0℃，只要壓力條件大于3MPa就可以形成氣體水合物，而當(dāng)溫度升高到20℃時(shí)，壓力必須大于20MPa，氣體水合物才能形成并穩(wěn)定存在。

 根據(jù)天然氣水合物穩(wěn)定存在的穩(wěn)壓范圍容易推知，天然氣水合物主要存在于兩極低溫的陸區(qū)和深海高壓的沉積物中。目前，已在世界各大洋和大陸內(nèi)海確定了80多處天然氣水合物遠(yuǎn)景區(qū)，其中多處經(jīng)海底鉆已探得到證實(shí)，如秘魯近海、美國(guó)東部和西部海域、日本近海等。

 2.2潛在的巨大能源

 據(jù)資料，陸地面積的27%，海域面積的90%都有天然氣水合物分布。而且目前已知的絕大多數(shù)天然氣水合物為甲烷水合物。甲烷水合物是甲烷氣體的捕獲器，在一個(gè)大氣壓下，分解單位體積的甲烷水合物，可以得到160體積的甲烷氣。因此，在地表以下深約2000米的淺層沉積天然氣水合物內(nèi)隱藏著大量的甲烷。甲烷水合物的含碳量是所有化石含碳量的兩倍。這種甲烷水合物的能量通量(在標(biāo)準(zhǔn)狀況下每單位體積巖石中的甲烷體積)是其它非常規(guī)氣源(如煤層、黑色頁(yè)巖和深部含水層)能量通量的10倍，是常規(guī)天然氣能量通量的2-5倍。其儲(chǔ)量大約相當(dāng)于煤炭和常規(guī)石油天然氣總量的3倍。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)學(xué)家的資料，現(xiàn)代天然氣水合物的總資源量為1×1018m3，據(jù)28屆地質(zhì)大會(huì)資料，天然氣水合物的資源量可達(dá)28×1013m3。

 可見，天然氣水合物的儲(chǔ)量極為豐富。有些科學(xué)家已肯定地指出天然氣水合物將是21世紀(jì)的重要能源。

 2.3國(guó)外對(duì)天然氣水合物的研究

 80年代以來(lái)，俄、美、日、加、德、荷、印等國(guó)在海洋天然氣水合物調(diào)查與開發(fā)方面給予高度重視，從資源儲(chǔ)備的戰(zhàn)略高度相繼制定了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施計(jì)劃。應(yīng)該指出的是，90年代以來(lái)天然氣水合物的研究才蓬勃發(fā)展起來(lái)。美國(guó)1995年在ODP第164航次中，率先在布萊克海脊布設(shè)了三口勘探井，首次有計(jì)劃地取得了天然氣水合物樣品。1995-1999日本基本完成了南海海槽天然氣水合物的海上地球物理調(diào)查，3000米的勘探井揭穿增生楔的天然氣水合物沉積。在1998年5月，美國(guó)參院資源委員會(huì)一致通過“海底天然氣水合物研究與資源開發(fā)計(jì)劃”。本世紀(jì)大洋鉆探計(jì)劃(ODP21)也將海底天然氣水合物的形成機(jī)理確定為主要的學(xué)術(shù)目標(biāo)之一。印度針對(duì)本國(guó)能源不足的現(xiàn)狀，在1996-2000年間設(shè)立了尋找海底天然氣水合物資源的專項(xiàng)研究，計(jì)劃投入5600萬(wàn)美元在孟加拉灣和阿拉伯海開展調(diào)查研究工作。

 近10年來(lái)，對(duì)海底天然氣水合物的產(chǎn)生條件、分布規(guī)律、形成機(jī)理、環(huán)境效應(yīng)、勘查技術(shù)、開發(fā)工藝、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與環(huán)境保護(hù)等方面的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

 2.4我國(guó)邊緣海域的天然氣水合物研究

 近年來(lái)國(guó)內(nèi)有關(guān)單位召開了以天然氣水合物為主題的研討會(huì)，強(qiáng)調(diào)了在我國(guó)開展天然氣水合物研究的意義，并首先資助了南海海域天然氣水合物的海上調(diào)查工作。目前，我國(guó)一些主要的科技項(xiàng)目，如國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、ODP項(xiàng)目、973項(xiàng)目、S863項(xiàng)目等都把天然氣水合物的研究列為重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容。

 我國(guó)東海及鄰近的海域不僅具有豐富的地質(zhì)內(nèi)涵，而且具有豐富的石油天然氣資源。從上世紀(jì)六十年代開始在該區(qū)域進(jìn)行的以構(gòu)造演化和礦產(chǎn)資源(油氣)評(píng)價(jià)為主要目地的地質(zhì)地球物理調(diào)查，積累了大量的可資天然氣水合物研究的資料。其中包括地質(zhì)取樣資料、海底溫度資料、地殼熱流資料、地溫梯度資料、折射地震資料、多道地震資料、鉆井資料等。資料顯示，在我國(guó)邊緣海域中(東海、南海和臺(tái)灣東部海域)的部分地區(qū)具備天然氣水合物穩(wěn)定存在的水深條件和海底溫度條件。ODP184航次在南海的鉆探結(jié)果顯示出天然氣水合物的化學(xué)異常，南海北部陸緣多處地震剖面上都識(shí)別出BSR。專為天然氣水合物研究而在南海布設(shè)的地震測(cè)量剖面上也發(fā)現(xiàn)有明顯的BSR顯示。我國(guó)東海及鄰近海域的天然氣水合物研究與勘探工作正在進(jìn)一步展開。

（信息來(lái)源：中國(guó)礦業(yè)網(wǎng)，中林設(shè)計(jì)整理，轉(zhuǎn)載注明出處）