客观日本

资源勘探技术(3)

2011年12月20日 科技交流

海底资源勘探机的开发及应用

随着近来经济及社会形势的变化,在开发方面至今仍无进展的海底资源再次备受瞩目。海底资源一般多指能源资源和金属矿产资源,但近年来生物基因资源也逐渐引起人们注意。能源资源指石油、天然气、甲烷水合物。石油和天然气早已实现开采生产,与此相对,甲烷水合物作为日本近海含量最为丰富的海底资源,终于决定开始试验性开采。金属矿物资源指锰结核、富钴结壳、热液矿床。有人指出,虽然人们一直在积极调查如何对锰结核和富钴结壳实施开采生产,但由于其所在的水深深度过深,所以几乎没有开采生产的可能性,需要有下一代技术的支持。与世界其他海域相比,日本近海的热液矿床处于非常浅的位置。这种情形的出现是地理条件所致,即存在着活跃的火山活动,但正因如此,需要推进正式的开采和生产。生物基因资源是逐渐兴起的新领域,以工业利用为前提的极限环境微生物和以海底和大型动物等为对象的共生生物,正伴随采样培养和基因分析结果迅速展开。这些生物基因资源作为先进的知识财产具有极高价值,其将使新生物资源的开拓事业取得飞跃性进展。

表1 应归于海底资源的物质

 

1.深海与海底勘探机

在日本周边的太平洋西北部,因地壳俯冲而形成的海沟结构非常发达,日本海沟、千岛海沟、小笠原海沟等深度超过8,000m的大海沟散布其中。另一方面,在仰冲的地壳上则有发达的弧后盆地,琉球和南海便有着巨大的海盘。而且就其环境而言,分布着纵贯海盆的地震带和火山带。由于存在这种特异的海底地形,日本一直在积极开发能够实施大深度勘探的设备,以便对海底进行勘探。深海海底勘探存在着特殊的环境变化,这便是空中技术当中所没有的“水压”,为此,需要在动力、电力、图像输入等基础要素方面实施开发。

海底勘探分为有缆勘探和无缆勘探,前者将船和勘探设备连在一起,后者由勘探机单独行动。两者在勘探手法上各有特色。就有缆勘探而言,由于不受电量和浮力的限制,因此可以基于自由的设计构想开发出各种各样的勘探机,其中包括重物的设置和回收等。除了系留绳之外,还可以用拖曳体 (Deep-Tow)、ROV、以及爬行器展开各种工作。而在资源开发方面,也是从小型探查机到重型设备,选择多样。但是,由于存在电缆,一旦电缆的重量和强度等特性超过勘探机的界限,勘探机便无法操作。如果电缆过长,便无法应对因潮流等因素导致的复杂的海水动向,因此不适合大深度勘探。此外,随着近年来渔具及信息技术的发展,人们常对海底电缆置之不管并到处铺设生活信息网,目前,电缆之间的缠绕也成为一大问题。而且在有缆勘探中,电缆是从船舶垂直向下而出,因此行动范围狭小,在许多条件下,例如错综复杂的海底、流冰之下等,则无法开采。

就无缆勘探机而言,有载人潜水船和AUV等。虽然近年来相关技术日进千里,但许多技术至今仍未达到实用程度。无缆勘探机的特点在于行动范围相当宽广,且增加了勘探方位的自由度。因此,在资源勘探的初期,使用这种无缆型勘探机比较有效。但是,由于没有电缆,所用电力必须依赖于电池,可用的电力有限。而随着近年蓄电池的显著发展,轻量大容量的二次电池实现了产品化,电力问题也随着动力利用的节电化而逐渐淡化。

深海勘探中使用的无缆勘探机必须在最后阶段以自己的力量浮出海面,因而需要开发浮力材料。尤其对于大深度勘探而言,如何提高这种浮力材料的性能成为了最大的技术课题,需要使用材质均匀、粒径较小的空心微珠 (micro balloon)。优质的浮力材料可以减小勘探机的体积并使其具备更好的机动性。另一方面,就潜航方式而言,一般是携带压舱物,在调查结束后将其扔弃。这种方法简单有效,但必须回收,不利于反复调查。而且,由于不用电缆,所以最重要的便是开发能够判断信息并决定下一行动的处理器。在载人的情形下,这些事务在潜航之时由人操作,但需要采取充分的安全对策。随着计算机技术和机器人技术的发展,终于能够开发出配有自立化、自动化系统的勘探机,即无人潜航器 (AUV)。AUV将成为今后海底资源勘探的一大支柱,但存在的研发课题仍然很多。另一方面,虽然载人勘探机要的操作成本较高,但也有许多事例显示需要人类直接做出判断。今后一段时间仍需要进行双方技术的混合开发。

关于至今已开发研制的勘探机,有缆勘探机当中,有“海豚3K”、“海沟7000II”、“超级海豚 (Hyper Dolphin)”、“ABISMO”。无缆勘探机当中,载人潜艇有“深海2000”和“深海6500”,AUV有“PICASSO”、“浦岛”以及东京大学生产技术研究所的“R2D4”等。当前,许多勘探机平台正处于可用状态。

图1 深海海底的勘探工具

2. 海底资源的潜力与勘探难度

在海底资源中,热液矿床,也即热液性金属硫化物,对于EEZ内火山活动较多的日本而言,实属大有潜力的资源。海水沿着地壳断层流入地层空间,在循环过程中被加热至数百度,一旦超过临界状态,便会溶解地壳中的金属成分,形成热液性金属硫化物。这些海水再次从海底喷出时,喷口附近便会沉淀出金属硫化物,其作为“海底黑烟囱”不断成长,从而形成矿床。除此之外,还养育了许多特殊的微生物和生物。因此,热液矿床既是金属资源的宝库,也是生物基因资源的宝库。曾有一些报告指出,在日本近海,尤其是吐噶喇列岛、冲绳弧后盆地、火山列岛(伊豆小笠原)周边,有着持续性的热液活动区,水深也比较浅。但是,虽说水深较浅,也仍处于深海之中。

随着声技术的发展,目前已经能够以相当高的精度从船上进行地形调查,因此,在被认为存在海底资源的地形调查中,精度明显提高。但如果在船上进行勘探,会因海浪的影响及混入气泡等因素而导致分辨率有限。另一方面,如果使用AUV等航行型勘探机进行勘探,则可以在稳定而又不受海洋表面影响的环境下实施长距离的地形调查,其勘探分辨率也会明显提高。此外,在海底附近实施声波勘探既能提高分辨率,又有利于发现热液柱和水合物的气泡液胞,从而给资源勘探工作带来极大希望。但这种方法缺乏实时性,如何根据具体状况展开高效而有重点的调查便成为今后的课题。除用声波进行地形勘探外,用浅地层剖面仪等仪器对堆积层进行分析,或者调查重力或电磁场,也可以推定海底资源的位置。但是这些装置要在海底使用,基础部分仍存在着很多开发要素,例如耐压设计、电力的供给方法、数据的记录容量、整个装置的重量等,而且容易增加成本。对这一部分应予以充分考虑。

对勘探机而言,直接检验出化学物质也是个重要要素。如果以传感方法将其反映到动力上,会使勘探效率更高,但是很遗憾,传感设备的开发目前还比较落后。这是因为传感器因需求不同而变化多样。传感器目前被用于测量温度、电导率、溶解氧浓度等,在更实用的方面,则被试用于pH、氡、CO2、甲烷等的直接传感。今后,随着光学分析技法、电气化学分析技法、生物化学分析技法及质量分析等微量化学的发展,小型化和节电化会不断得以推进。

 3.海底资源开发中的环境评估

有人指出,在海底资源的开发过程中,尤其在能源资源和金属资源的开发中,周边的挖掘及碎石采集等作业,还有生物附着层及泥浆飞溅等导致的周边堆积,可能会使海底生物的生存环境发生改变。海底附近的挖掘和采集会对周边环境造成多大程度的影响,这对诸多国家而言尚属未曾经历的领域。不能让这种开发直接导致水产资源的减少,许多国家也不希望导致环境污染。此外我们已经得知,在火山活跃的区域和有热液活动的区域,海底的生物区系是固有的,像绿洲一样密集。在生物固有度较高的情形下,可能会因小规模的开发而导致固有物种灭绝。开发和周边环境评估即使遇到困难也要依次进行。即使在不得已而实施开发的情形下也必须进行严格预测,看能否恢复到原先的状况。要做到这一点,需要避免在生物区系活性较高的热液活动区域实施开发,当务之急是要尽快发现那些热液活动已经终止的矿床。要发现此类矿床,需要展开研究和技术开发。

4.勘探设备在资源勘探中的意义和课题

就海底资源而言,电波无法观测的地方最具困难。因此,对于海底勘探机这一基础工具,应当使勘探手法适合其设备特性。截至今日,以海底活动为目的的设备开发一直是个大目标。这与汽车开发类似,既需要动力也需要驾驶技术,如果针对驾驶员的界面不够成熟,便称不上真正好使的设备。在勘探机基本运转性能已经大致实现的当今,不应停留在行驶功能的追求上,还必须追求勘探机的安全、舒适、高效。载人勘探机在操作成本和安全操作方面容易令人敬而远之,但也有很大的优点,例如可以当场作出判断,观测者可以直接感受等等。此外,如果引进尖端传感器和装置,或者现场引进分析仪器时,机器能在附近运转也将大为有利。海底资源的勘探需要更实时、更广范围、更高感度地对各时段过程进行高效处理。在载人情形下,应当大幅改变勘探机的现行模式,并完善相关体制以便能够引进更尖端的设备。

图2 海底勘探机 载人潜水调查船(上层图)“深海6500”和(下层图)

ROV等有缆勘探机必须建构起能够适应实际开采生产的单独系统,例如适应长时间运转及重物等,还必须安全廉价地改进为能够适应常规作业的勘探机。AUV等自动航行型勘探机最难控制位置,但具有距离长、较稳定的特点,在进一步追求自动航行的高精度化的同时,应当发展为同时运用多个勘探机实施并列式勘探,或者与载人机或ROV相互配合。而且,在海底资源勘探这种目标明确的调查中,还需要加快开发传感设备。与其他尖端设备的开发相比,海洋传感设备的开发相当落后。对于那些用于纳米技术、生物工程等中的高感度、先进的、能够进行微量监测的分析装置和传感器的开发,今后应以多种形式予以推进。

 5.结语

海底资源勘探机历史已久,但可以说仍未充分成熟。设备开发及其研究自不用言,操作运用系统的构建也是难以表述的部分。操作运用需要积累经验和技能,这种积累在此之前是分别展开的。众所周知,通过对设备开发和使用设备的团队予以一体化综合利用,可以发挥出最大限度的性能。这点对于海底资源勘探机的开发及应用而言,也应予以充分参考。

 

 三轮 哲也

 

简历:

独立行政法人海洋研究开发机构  海洋工学中心  尖端技术研究计划基础技术研究组负责人。生于1964年2月。1991年东京工业大学研究生院理工学研究科化学工学专业,博士(工学)。1991年新技术事业团创造科学技术推进事业永山蛋白聚集项目研究员。1995年东京大学研究生院工学系研究科应用化学藤岛昭研究室(光化学)助手。1998年海洋科学技术中心深海环境前沿研究员。2003年担任该小组负责人。自2008年起,担任海洋工学中心尖端技术研究计划基础技术研究组负责人。明治大学研究生院理工学研究科客座教授(联合研究生院)。

横滨市立大学研究生院生命纳米系统科学研究科客座教授(联合研究生院)

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