海底多金属硫化物勘探取样技术与装备研究

　　摘要：海底多金属硫化物因富含多种金属元素和稀有元素，已逐渐引起了人们重视，并开展了一系列的勘探活动。本文在前人研究的基础上，对国内外已经开展的多金属硫化物调查勘探作业中使用的取样技术与设备进行了介绍,并对取样技术的发展提出了一些建议。

　　关键词：多金属;硫化物;勘探;取样;装备

　　海洋论文投稿刊物：《广东海洋大学学报》第一、第三、第四、第六期为自然科学，第二、第五期为社会科学。自然科学主要刊登海洋与水产科学基础理论，海洋环境调查与保护，海洋、水产资源开发与利用，海洋渔业，渔船、渔业机械与仪器，水产增养殖技术，水产病害防治，水产品加工、贮运与综合利用等方面的学术论文。

　　0引言

　　随着ODP、DSDP等深海勘探活动的不断深入,陆续发现了大洋铁锰结核、富钻结壳以及多金属硫化物等海底矿产资源。其中多金属硫化物因富含Cu.Fe.Zn等金属元素和Au、Ag等稀有金属元素，经济价值较高，且赋存水深浅,被认为是有可能最早被人类所利用的深海矿产资源之一。多金属硫化物，也称块状硫化物(seafloormassivesulfide,SMS),是岩石圈与大洋(水圈)在岛弧、板内火山活动中心、洋脊扩张中心等位置发生热和化学交换作用形成的硫化物矿床及伴生的矿物资源，按形态的不同可以分为海底多金属软泥和海底多金属硫化物矿床两种。

　　1国内外研究现状

　　自1963〜1965年国际印度洋调查期间发现热液多金属软泥后，海底热液活动研究的序幕就此揭开。世界上几个主要的工业国家，包括俄罗斯、美国、法国、日本、澳大利亚等，均先后制定了勘探和开发海底多金属硫化物的国家计划。除此以外，几个国际大型资源开发商和投资商也介入海底多金属硫化物矿的商业化开采中，其中以Nautilus和Neptune矿业公司为先驱代表，均拥有近20万平方公里的SMS勘探执照区和申请区，并针对制定的海底块状硫化物开发计划，相继开展了一系列勘探活动。我国海底多金属硫化物研究起步较晚,首次参加的热液活动调查要追溯到1988年7〜8月中德科学家合作SO-57航次对马里亚纳海槽区热液多金属硫化物的研究。随后我国开始积极参与并组织热液活动调查。

　　2005年以来，随着海洋装备的不断发展和升级,我国多次执行环球大洋科学考察任务,不仅陆续发现了多个海底热液区和热液异常区，还采获了大量的热液多金属硫化物和相关沉积物样品。2010年,我国向联合国国际海底管理局提交了西南印度洋的硫化物矿区申请，并在2011年获得核准。目前，国内外均针对海底硫化物进行了大量的勘探活动，涉及拖网、水下机器人(ROV)、电视抓斗、钻探船钻探、海底钻机等多种取样方式。本文将对国内外在海底多金属硫化物勘探中所采用的取样技术和装备进行介绍。

　　2取样技术与装备

　　2.1拖网挖掘取样

　　拖网挖掘取样是通过船舶将专用拖网下放至海底后，从取样目标区域一侧开航至另一侧进行拖曳取样的方式。2005年3月，Nautilus公司曾与其合作商进行了拖网挖掘取样，取样中使用的是一种双壁开沟犁式环形拖网。拖网中取到的样品大小不一，通常较大块的样品在摄像后密封储存在塑料桶中，矿泥则会进行进一步的测定。

　　2.2ROV海底取样

　　ROV是多金属硫化物勘探中使用的重要设备。除采样需要的样品容器、带卡爪的机械手外，ROV上还配备了包括摄像机、深度高度等传感器、视频信号捕捉与覆盖系统、海底剖面测绘仪、测深系统、微陀螺ROV位置信标等设备。确定目标矿区后，利用船舶将ROV放至海底!通过ROV上配备的摄像机等设备确认需要采样的海底岩石后，利用ROV的机械手破碎岩石后放置在ROV上单独的样品篮中。ROV返回水面后，对抓取的样品进行确认，并与摄像进行比较，记录样品的特征。在2006〜2011年间,Nautilus利用ROV进行了多次海底取样。

　　2.3电视抓斗取样

　　电视抓斗取样是集海底电视摄像头、光源及电源装置等多种设备于一体的深海底采样设备!其主要组成部分包括抓斗、电缆和操控系统。其工作过程可以简述为当调查船航行至目标地点后,将抓斗放至海底以上5〜10%的位置，调查船慢速航行!采样人员在甲板上通过显示器观察海底摄像头传回的图像，确认采样目标后向操控系统发送指令控制抓斗的开合,完成一次取样电视抓斗在深海及大洋中脊资源调查,特别是在深海底块状硫化物、多金属结核等勘查中应用较多。我国在2009年DY21航次中，在南大西洋洋中脊上利用我国自主研制的深海电视抓斗,首次获取块状热液硫化物样品。在DY26航次中完成电视抓斗取样56站。

　　2.4钻探船岩心钻探取样

　　钻探船岩心钻探取样与传统海洋钻探基本一致，均是利用钻探船上的钻机进行钻探。Nautilus在2006年的多金属硫化物勘探中使用了DPHunter进行钻探根据地层的性质选用了不同类型的取心工具,但取心方式均为绳索取心。在松软沉积物中取样时使用了液压活塞取心器;在岩石中取样时，则采用了超前的钻头装置，岩心管直径61%%。尽管在钻探中获取了埋藏在烟囱矿化下的高品位硫化物，而且分析结果表明，各种矿物的平均品位与早前获得的矿石品位很大程度上类似，但由于岩心收获率较低，代表性不足，无法代表真实品位，因此分析结果没有用于资源量的计算。

　　2.5海底岩心取样钻机取样

　　海底岩心取样钻机是进行海底矿产资源勘探和地质调查等不可缺少的重要装备!一般装备于大型海洋科学考察船上,通过电缆下放至海底,进行可视遥控操作钻孔取心。海底岩心取样钻机的研发可以追溯到20世纪80年代，目前世界上一般按钻深对海底钻机进行分类,钻孔深度小于5%的称为海底浅孔岩心取样钻机，钻孔深度在5〜50%的称为海底中深孔岩心取样钻机，而钻孔深度在50%及以上的称为海底深孔岩心取样钻机。

　　迄今为止，美国、日本、英国、德国、俄罗斯等国家先后开发了多台海底深孔岩心取样钻机，部分已经应用于深海钻孔取心，但均存在不同程度的技术问题。由于受技术封锁，直到2000年，我国才成功研制出第一台深海浅地层岩心取样钻机。在海底岩心取样钻机进行取样时,使用的取心方式分为提钻取心和绳索取心。由于提钻取心方式结构简单、设计难度和精度相对较低，在浅孔和中深孔钻机中的应用较多&但每次进行提钻取心作业时,都要将全部钻杆提出井孔，作业时间长，易出现卡钻、塌孔等事故。相比之下采用绳索取心方式作业时，由于外钻杆的存在，能够有效减少孔内事故的发生，在钻穿复杂地层方面优势明显，因此在深孔海底钻机中，多采用绳索取心方式。2008〜2011年,Nautilus公司在多金属硫化物的勘探中多次使用海底钻机进行取样!其使用的钻机是由重型工作级ROV提供液压动力、通讯与控制，使用的取心方式均为绳索取心。

　　4结论

　　综上所述，拖网取样、电视抓斗、ROV海底取样虽然易于实施，但其取样深度受到限制，在多金属硫化物勘查评价中只能获取海底表层样品，无法取得深部的多金属硫化物样品。钻探船岩心钻探取样和海底钻机因取样深度较深!能够查明多金属硫化物矿的构造、矿体展布等，已逐渐成为多金属硫化物勘探中进行资源评价的重要手段。

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