海底多金屬硫化物勘探取樣技術與裝備研究

　　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，并開展了一系列的勘探活動。本文在前人研究的基礎上，對國內外已經開展的多金屬硫化物調查勘探作業中使用的取樣技術與設備進行了介紹,并對取樣技術的發展提出了一些建議。

　　關鍵詞：多金屬;硫化物;勘探;取樣;裝備

　　海洋論文投稿刊物：《廣東海洋大學學報》第一、第三、第四、第六期為自然科學，第二、第五期為社會科學。自然科學主要刊登海洋與水產科學基礎理論，海洋環境調查與保護，海洋、水產資源開發與利用，海洋漁業，漁船、漁業機械與儀器，水產增養殖技術，水產病害防治，水產品加工、貯運與綜合利用等方面的學術論文。

　　0引言

　　隨著ODP、DSDP等深�？碧交顒拥牟粩嗌钊�,陸續發現了大洋鐵錳結核、富鉆結殼以及多金屬硫化物等海底礦產資源。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，經濟價值較高，且賦存水深淺,被認為是有可能最早被人類所利用的深海礦產資源之一。多金屬硫化物，也稱塊狀硫化物(seafloormassivesulfide,SMS),是巖石圈與大洋(水圈)在島弧、板內火山活動中心、洋脊擴張中心等位置發生熱和化學交換作用形成的硫化物礦床及伴生的礦物資源，按形態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國內外研究現狀

　　自1963〜1965年國際印度洋調查期間發現熱液多金屬軟泥后，海底熱液活動研究的序幕就此揭開。世界上幾個主要的工業國家，包括俄羅斯、美國、法國、日本、澳大利亞等，均先后制定了勘探和開發海底多金屬硫化物的國家計劃。除此以外，幾個國際大型資源開發商和投資商也介入海底多金屬硫化物礦的商業化開采中，其中以Nautilus和Neptune礦業公司為先驅代表，均擁有近20萬平方公里的SMS勘探執照區和申請區，并針對制定的海底塊狀硫化物開發計劃，相繼開展了一系列勘探活動。我國海底多金屬硫化物研究起步較晚,首次參加的熱液活動調查要追溯到1988年7〜8月中德科學家合作SO-57航次對馬里亞納海槽區熱液多金屬硫化物的研究。隨后我國開始積極參與并組織熱液活動調查。

　　2005年以來，隨著海洋裝備的不斷發展和升級,我國多次執行環球大洋科學考察任務,不僅陸續發現了多個海底熱液區和熱液異常區，還采獲了大量的熱液多金屬硫化物和相關沉積物樣品。2010年,我國向聯合國國際海底管理局提交了西南印度洋的硫化物礦區申請，并在2011年獲得核準。目前，國內外均針對海底硫化物進行了大量的勘探活動，涉及拖網、水下機器人(ROV)、電視抓斗、鉆探船鉆探、海底鉆機等多種取樣方式。本文將對國內外在海底多金屬硫化物勘探中所采用的取樣技術和裝備進行介紹。

　　2取樣技術與裝備

　　2.1拖網挖掘取樣

　　拖網挖掘取樣是通過船舶將專用拖網下放至海底后，從取樣目標區域一側開航至另一側進行拖曳取樣的方式。2005年3月，Nautilus公司曾與其合作商進行了拖網挖掘取樣，取樣中使用的是一種雙壁開溝犁式環形拖網。拖網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存在塑料桶中，礦泥則會進行進一步的測定。

　　2.2ROV海底取樣

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

　　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備于一體的深海底采樣設備!其主要組成部分包括抓斗、電纜和操控系統。其工作過程可以簡述為當調查船航行至目標地點后,將抓斗放至海底以上5〜10%的位置，調查船慢速航行!采樣人員在甲板上通過顯示器觀察海底攝像頭傳回的圖像，確認采樣目標后向操控系統發送指令控制抓斗的開合,完成一次取樣電視抓斗在深海及大洋中脊資源調查,特別是在深海底塊狀硫化物、多金屬結核等勘查中應用較多。我國在2009年DY21航次中，在南大西洋洋中脊上利用我國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海洋鉆探基本一致，均是利用鉆探船上的鉆機進行鉆探。Nautilus在2006年的多金屬硫化物勘探中使用了DPHunter進行鉆探根據地層的性質選用了不同類型的取心工具,但取心方式均為繩索取心。在松軟沉積物中取樣時使用了液壓活塞取心器;在巖石中取樣時，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似，但由于巖心收獲率較低，代表性不足，無法代表真實品位，因此分析結果沒有用于資源量的計算。

　　2.5海底巖心取樣鉆機取樣

　　海底巖心取樣鉆機是進行海底礦產資源勘探和地質調查等不可缺少的重要裝備!一般裝備于大型海洋科學考察船上,通過電纜下放至海底,進行可視遙控操作鉆孔取心。海底巖心取樣鉆機的研發可以追溯到20世紀80年代，目前世界上一般按鉆深對海底鉆機進行分類,鉆孔深度小于5%的稱為海底淺孔巖心取樣鉆機，鉆孔深度在5〜50%的稱為海底中深孔巖心取樣鉆機，而鉆孔深度在50%及以上的稱為海底深孔巖心取樣鉆機。

　　迄今為止，美國、日本、英國、德國、俄羅斯等國家先后開發了多臺海底深孔巖心取樣鉆機，部分已經應用于深海鉆孔取心，但均存在不同程度的技術問題。由于受技術封鎖，直到2000年，我國才成功研制出第一臺深海淺地層巖心取樣鉆機。在海底巖心取樣鉆機進行取樣時,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構簡單、設計難度和精度相對較低，在淺孔和中深孔鉆機中的應用較多&但每次進行提鉆取心作業時,都要將全部鉆桿提出井孔，作業時間長，易出現卡鉆、塌孔等事故。相比之下采用繩索取心方式作業時，由于外鉆桿的存在，能夠有效減少孔內事故的發生，在鉆穿復雜地層方面優勢明顯，因此在深孔海底鉆機中，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進行取樣!其使用的鉆機是由重型工作級ROV提供液壓動力、通訊與控制，使用的取心方式均為繩索取心。

　　4結論

　　綜上所述，拖網取樣、電視抓斗、ROV海底取樣雖然易于實施，但其取樣深度受到限制，在多金屬硫化物勘查評價中只能獲取海底表層樣品，無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因取樣深度較深!能夠查明多金屬硫化物礦的構造、礦體展布等，已逐漸成為多金屬硫化物勘探中進行資源評價的重要手段。

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