海底矿产资源及其应用前景

   随着陆地上矿产资源的日益减少，人们自然把注意力移向海洋。海洋占地球面积的2/3，蕴藏着丰富的矿产资源。世界上海底石油的产量已达到全部石油产量的30%左右。我国海上石油工业有了长足的发展，海底石油的产量可占到石油总产量的11%。分布十分广阔的大洋金属结核，因其含有丰富的Cu、Co、Ni等有用金属，早已引起人们的重视，我国也已在东太平洋的C-C区圈定15万平方公里的开辟区，已获联合国的批准。海底矿产资源十分丰富多样。本文着重介绍海底热液硫化物和天然气水合物这两种十分重要的资源。

　　海底热液硫化物矿

　　1.1发现

　　1948年瑞典的信天翁号科学考察船在红海中部考察时发现了水温和盐度异常，随后在该处的进一步调查中发现了多金属软泥。研究认为，这种多金属软泥的形成和海底扩张有关。六十年代末七十年代初，在人们使用海底照相技术用于海底扩张洋脊区的调查时，在大洋中脊发现了一系列的热液喷口，并证明多金属的软泥正在那里沉积形成。1972年、1976年在哥拉帕哥斯扩张脊和1984年在冲绳海槽进行的海底热流调查研究时都发现了很高的热流异常。如冲绳海槽的某些测站的热流值达到200多MW/M2，这比正常的海底热流值高三倍多。随后在这些区域进行的深潜调查都发现了海底热液硫化物矿的存在。此外，海底热液硫化物矿的发现在很大程度上还依赖于人类深潜技术的成熟。美国ALVIN号深潜器、法国的NAUTILE号深潜器、前苏联的MIR号深潜器及日本的深海2000号和深海6500号深潜器都在海底热液活动及其热液硫化物矿产的调查研究中起到了非常重要的作用。从1963年美国发现者号在红海发现热液成因的多金属软泥，到1979年Alvin号深潜器在东太平洋海隆发现正在生长的热液黑烟囱，直到现在，现代海底热液硫化物矿产的调查研究已经历了半个多世纪的历程。半个多世纪以来，科学家们通过不懈的努力取得了令人注目的调查发现和研究成果。

　　1.2分布

　　随着调查活动的不断进行，海底热液硫化物矿区的发现已从特定的区域拓展到大洋中脊，从弧后盆地拓展到板内火山。很快，人们认识到海底热液硫化物矿在全球的海底是一种十分普遍的地质现象。已经知道，大洋中的三大构造背景(大洋中脊，板内火山和弧后盆地)普遍发育热液硫化物矿。虽然对大洋中除大洋中脊、板内火山和弧后盆地以外的其它地区没有更多的调查资料，但可以肯定，大洋中构造活动的地区应是海底热液硫化物发育的主要场所。到目前为止我们已在世界海底发现了一百多个热液硫化物矿化点。根据我们的研究结果，现代海底热液硫化物主要分布在中低纬度的洋中脊的中轴谷和火山口附近，水深一般在2600米，处于洋中脊扩张段地形较高的部位，并且扩张速率和热液活动区的分布密切相关。

　　1.3潜在的巨大资源

　　从1978年在东太平洋海隆发现块状硫化物以后，热液成矿的问题在现代海底热液活动的调查研究中得到了足够的重视。到1993年在世界海底已圈定了139处热液矿化点，其中多处资源量超过百万吨。如，东北太平洋海隆勘探者海脊的块状硫化物堆积体，直径达200米，高为10米，储量大于1.5Mt,北胡安得福卡海脊7处热液堆积体，直径400米，高60米，估计每处资源量超过1.0Mt，红海阿特兰提斯II海渊的热液金属储量估计为94.0Mt,大西洋中脊TAG热液活动区的一处硫化物堆直径250米，高50米，估计块状硫化物的储量为5.0Mt。另外，根据对西太平洋劳海盆黑白烟囱体的调查研究，无论从规模大小还是硫化物的含量看，其储量都不低于大西洋中脊TAG热液区。加上绵延在4公里长，200米宽的地带中存在着数百个锰烟囱，按一般厚度4.5厘米计算，资源量估计超过10.0Mt。可见整个世界海底热液矿产资源量十分可观，资源开发前景十分诱人。

　　1.4我国的研究

　　早在1985年我国就有学者提出了热液成矿的多元理论，并注意了洋脊地下热液在Fe、Cu等硫化物沉淀中的作用。但这一时期我国在这方面的研究仅限于理论研究和以国际合作的形式参与国外的调查研究。1988年和1990年中、德、美合作利用德国的太阳号科学考察船两次对马里亚纳海槽的热液硫化物进行调查。1993年，中国科学院海洋研究所首次用科学一号在冲绳海槽进行了一个航次的热液矿床的调查，并在1994年3月再度组队对冲绳海槽的热液硫化物进行实地调查。1998年我国的大洋一号在马里亚纳海槽开展了首次大洋热液矿点实验调查。我国经过短短十几年的大洋热液矿产调查取得了较为注目的成绩。如，我们在冲绳海槽的热液样品中发现金和银的含量都很高。

　　天然气水合物

　　现代社会经济增长的基础是对能源的占有和利用。当今世界能源的80%来自化石燃料----煤、石油和天然气。随着经济的发展、人口的增长，人类对资源的需求也在逐年增大。按照我们传统的化石燃料理论和勘探结果，人类行将面临不可再生化石燃料资源的短缺问题。因此，寻找新型替代(或称后续)资源以解决资源短缺问题，维持经济持续发展，是我国也是世界各国共同面临的重要课题。天然气水合物自上个世纪在海底沉积物中广泛发现以来，因其分布广、资源量大、能量高而引起科学界的高度重视，并被认为可望成为“21世纪行将枯竭的常规油气能源的后续能源”。日本科学家的最新研究结果表明，日本的天然气水合物探明储量可供日本在石油和天然气枯竭后使用140年。这一结果足以引起我们对天然气水合物研究的高度重视。可以预计21世纪，天然气水合物单从能源的角度来看将会扮演一个非常重要的角色。

　　2.1稳定赋存和分布

　　天然气水合物是一种水包气(一般是甲烷)的笼形物，外形似冰。水分子形成一个笼形格架，中间为一个气体分子。很多气体分子的大小都适合于填充到笼形格架中形成水合物，如二氧化碳、硫化氢和一些低碳的碳氢化合物。一般地，如果笼形格架中充填了二氧化碳则称为二氧化碳水合物，如果充填了甲烷则称为甲烷水合物。研究表明，天然气水合物是在一定的温度-压力条件下才形成并稳定存在的。气体水合物主要形成于低温高压的环境中。温度范围一般在-10℃—30℃，相应的压力范围为1-100MPa。如果温度升高相应的压力也必须升高。比如在0℃，只要压力条件大于3MPa就可以形成气体水合物，而当温度升高到20℃时，压力必须大于20MPa，气体水合物才能形成并稳定存在。

　　根据天然气水合物稳定存在的稳压范围容易推知，天然气水合物主要存在于两极低温的陆区和深海高压的沉积物中。目前，已在世界各大洋和大陆内海确定了80多处天然气水合物远景区，其中多处经海底钻已探得到证实，如秘鲁近海、美国东部和西部海域、日本近海等。

　　2.2潜在的巨大能源

　　据资料，陆地面积的27%，海域面积的90%都有天然气水合物分布。而且目前已知的绝大多数天然气水合物为甲烷水合物。甲烷水合物是甲烷气体的捕获器，在一个大气压下，分解单位体积的甲烷水合物，可以得到160体积的甲烷气。因此，在地表以下深约2000米的浅层沉积天然气水合物内隐藏着大量的甲烷。甲烷水合物的含碳量是所有化石含碳量的两倍。这种甲烷水合物的能量通量(在标准状况下每单位体积岩石中的甲烷体积)是其它非常规气源(如煤层、黑色页岩和深部含水层)能量通量的10倍，是常规天然气能量通量的2-5倍。其储量大约相当于煤炭和常规石油天然气总量的3倍。根据美国地质学家的资料，现代天然气水合物的总资源量为1×1018m3，据28届地质大会资料，天然气水合物的资源量可达28×1013m3。

　　可见，天然气水合物的储量极为丰富。有些科学家已肯定地指出天然气水合物将是21世纪的重要能源。

　　2.3国外对天然气水合物的研究

　　80年代以来，俄、美、日、加、德、荷、印等国在海洋天然气水合物调查与开发方面给予高度重视，从资源储备的战略高度相继制定了长远发展规划和实施计划。应该指出的是，90年代以来天然气水合物的研究才蓬勃发展起来。美国1995年在ODP第164航次中，率先在布莱克海脊布设了三口勘探井，首次有计划地取得了天然气水合物样品。1995-1999日本基本完成了南海海槽天然气水合物的海上地球物理调查，3000米的勘探井揭穿增生楔的天然气水合物沉积。在1998年5月，美国参院资源委员会一致通过“海底天然气水合物研究与资源开发计划”。本世纪大洋钻探计划(ODP21)也将海底天然气水合物的形成机理确定为主要的学术目标之一。印度针对本国能源不足的现状，在1996-2000年间设立了寻找海底天然气水合物资源的专项研究，计划投入5600万美元在孟加拉湾和阿拉伯海开展调查研究工作。

　　近10年来，对海底天然气水合物的产生条件、分布规律、形成机理、环境效应、勘查技术、开发工艺、经济评价与环境保护等方面的研究已取得实质性进展。

　　2.4我国边缘海域的天然气水合物研究

　　近年来国内有关单位召开了以天然气水合物为主题的研讨会，强调了在我国开展天然气水合物研究的意义，并首先资助了南海海域天然气水合物的海上调查工作。目前，我国一些主要的科技项目，如国家自然科学基金项目、ODP项目、973项目、S863项目等都把天然气水合物的研究列为重点的研究内容。

　　我国东海及邻近的海域不仅具有丰富的地质内涵，而且具有丰富的石油天然气资源。从上世纪六十年代开始在该区域进行的以构造演化和矿产资源(油气)评价为主要目地的地质地球物理调查，积累了大量的可资天然气水合物研究的资料。其中包括地质取样资料、海底温度资料、地壳热流资料、地温梯度资料、折射地震资料、多道地震资料、钻井资料等。资料显示，在我国边缘海域中(东海、南海和台湾东部海域)的部分地区具备天然气水合物稳定存在的水深条件和海底温度条件。ODP184航次在南海的钻探结果显示出天然气水合物的化学异常，南海北部陆缘多处地震剖面上都识别出BSR。专为天然气水合物研究而在南海布设的地震测量剖面上也发现有明显的BSR显示。我国东海及邻近海域的天然气水合物研究与勘探工作正在进一步展开。