海洋地球物理测量 -海洋地球物理:理论与方法

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本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂 " X4 x y3 ]/ Y5 J% v

每周邀请院士专家开讲，弘扬科学精神，帮助公众树立科学思想，掌握基本科学方法，了解必要科技知识。

' ]8 w2 I& H4 Q3 S5 _: C- t0 G$ } 提到海洋你会联想到什么？美丽的沙滩、清澈的海水还是五彩斑斓的鱼儿呢？事实上，海洋不仅是旅游目的地，它还蕴含着大量的矿产、能源及生物资源，更是航运的载体，还是我们的蓝色国土。本期首都科学讲堂邀请海洋地球物理科学传播专家团队首席专家，中国地球物理学会科普委员会秘书长、教授周坚鑫带领大家一起到海底“潜水”，探索我国蓝色国土的奥秘，了解海洋蕴含的各类丰富资源和能源，认识海洋资源和能源开发利用对发展海洋经济的重要作用。

主讲嘉宾：

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周坚鑫

海洋地球物理科学传播专家团队首席专家

中国地球物理学会科普委员会秘书长、教授

▲海洋国土与深海矿产资源开发（上）

▲海洋国土与深海矿产资源开发（下）

再认识海洋从太空中俯瞰地球，可以看到一抹非常漂亮的蓝色，这是因为地球表面70%是被海洋覆盖的。海洋作为人类赖以生存的资源宝库，首先要提到的就是旅游资源。以永兴岛为例，该岛位于中国海南省三沙市西沙区，四面被南海环绕，是南海诸岛中面积最大、人口最为集中、开发利用程度最高的海岛，是三沙市人民政府和西沙区人民政府驻地，也是我国重要的海防前哨，被称为“南海枢纽”。 $ k' E0 o8 J! h5 B; S; F$ l. B

▲永兴岛风光

岛上自然资源丰富，植物种类繁多，野生植物有148种，占西沙群岛总数的89%，尤其以麻风桐最为著名，还盛产椰子、木瓜、香蕉等果蔬。在这里沐浴阳光、莳花品茗、侯月听雨，颇有面朝大海、春暖花开的别样意境。除了旅游资源，海洋还蕴含着丰富的生物资源。众所周知，海洋中有各种各样的鱼类、贝类、水母等生物，种类繁多，无以计数。像体型巨大的鲨鱼、善于伪装的海马、美丽而神秘的水母……而数量最多的是经济型鱼类，这些海洋生物富含的蛋白质可以供给地球上亿万人类的生存所需。海洋还是航运的载体。航海运输是国际贸易的一个重要桥梁跟纽带。目前，我国80%以上的外贸活动需要通过海上运输来完成，其中最为重要的要数石油的进口贸易。我国石油进口量占到国内总量的70%以上，在这些进口石油中，又有90%是通过海路运输进来的。如果没有这些从海上来的石油，我们大概会有一半以上的家庭用车无法行驶。可想而知，航海运输与我们的日常生活息息相关。近年来，我们国家大力发展清洁能源，海上风电是其中很重要的一项。风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上风能资源丰富，随着科学技术的不断进步，我国的海上风电近年有了突飞猛进的发展。目前我们在很多沿海地区建设了风电场，这些风机的高度能达到150米，叶轮直径能达到100米。就在前不久，我国全球首台16兆瓦海上风机的第一支叶片启动了吊装工作，这次安装的16兆瓦风机位于福建沿海，是目前世界上已投入安装的最大风机，在额定工况下单台机组每转动一圈可发电约34度，平均每年可产生6600万度清洁电能，满足3.6万户三口之家一年的正常用电量。

▲全球首台16兆瓦海上风机启动吊装工作（图源：央视网） + w& O: F/ U% I: a

还有海上的潮汐能发电，它的原理简单说就是在涨潮和退潮时，利用高低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。潮汐发电有个优势，无论潮水的方向如何改变，都可以带动水轮机旋转，随时产生电能。此外，潮汐是一种蕴藏量极大、取之不尽、用之不竭、不需要开采和运输、洁净无污染的可再生能源。建设潮汐电站，不需要移民，不淹没土地，更没有环境污染问题，还可以结合潮汐发电发展围垦、水产养殖和海洋化工等产业。

海底宝藏说起海底宝藏，想必很多人会感到无比的神秘。像我国比较著名的“南海一号”沉船打捞、“长江口二号”沉船打捞、甲午沉舰遗址发掘等，通过水下考古我们发现了许多前人留在海底的宝藏。除了这些历史上的水下文化遗产，海底还蕴藏着大量的自然资源宝藏。首先要说的就是石油、天然气。海底蕴藏着丰富的石油和天然气，想要探测到它们，需要利用海洋地球物理测量技术进行勘探。勘探方法目前主要有三种：第一种是利用磁场。由于地球磁场受到地壳中磁铁矿的影响——磁铁矿含量越高，磁场强度越大，磁性越强的地方就是磁铁矿含量越高的地方。所以科研人员利用磁性强弱来区分各种各样的岩石，分析地下的地质结构，同时也能用来寻找到跟磁性有关的矿藏。第二种是利用重力加速度。在地球上，重力加速度的大小与地壳中岩石的密度有关，密度越大的地方地球引力越大，重力加速度也越高。所以，测量重力加速度就可以分析出地下岩石的密度大小，从而解决地质问题，寻找到矿藏。第三种是利用海上的“地震”。这个“地震”并不是指自然灾害，而是利用空气炮人为地发出爆炸声波，这个声波会传递到海底的地层中，然后形成反射。不同深度的岩层反射回来的信号之间会有时间差，通过计算声波从发出到反射回来的时间，就可以分析出海底的不同岩层，进而了解海底地壳的地质结构和矿藏情况。目前的地质工作调查结果显示，海底的石油储量相当于我们已掌握的石油储量的1/3，天然气相当于1/2。随着科学技术和勘探方法的不断发展，相信这一数据还将继续更新。除了石油和天然气，海底还有另外一种“白色宝藏”——可燃冰，即天然气水合物，是一种高效清洁、储量巨大的新能源。可燃冰分布于深海沉积物或陆域永久冻土中，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水。此外，可燃冰储量巨大，所含有机碳资源总量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍，被国际公认为石油、天然气的接替能源。

▲海底开采的可燃冰

目前，我国的可燃冰开采技术已达到国际领先水平。在南海北部神狐海域矗立着一座海上的“科学城”——“蓝鲸1号”平台。“蓝鲸1号”是全球最先进的超深水双钻塔半潜式钻井平台，在这里，200多位科研人员夜以继日地奋战在开采一线。2017年5月18日，中国地质调查局宣布，我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功。

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▲海上石油天然气钻井平台

此外，还有“黑色宝藏”——多金属结核和富钴结壳。多金属结核又称锰结核，因其富含锰、铜、钴、镍等30多种金属元素而得名，是一种围绕核心生长的铁、锰氢氧化物壳层组成的黑色和褐黑色核形石。它们主要分布在水深2000—5000米的平坦海底，大小不一，有的犹如小土豆般大小，有的直径可达几十厘米。如果把它剖开，可以看到非常完美的圈层结构——多金属结核通常分为内核和外层两部分，内核可以是岩石、固结的沉积物、海洋生物的骨骼或牙齿，甚至是年龄较老的结核；而外层则主要由铁、锰氢氧化物，以及少量的石英和长石等碎屑状物质组成。富钴结壳是科学家通过海底机器人摄像发现的，生长在海底几千米的地方。它与多金属结核的生长环境有些许不同，富钴结壳是在海山或海底斜坡上生长成的一层壳状的物质，呈煤黑色，质地轻脆，结构疏松。海洋国土当问到我们国家的领土面积是多少时，想必很多人会回答：960万平方公里。其实，在这960万平方公里以外，我们在南极、北极还有很多科学考察站，例如长城科学考察站、中山科学考察站、昆仑科学考察站，以及黄河科学考察站，这些科学考察站也属于我们的陆地领土。此外，我们还有一块海洋国土，也叫蓝色国土——渤海、黄海、东海、南海，还有一些可以管辖的专属经济区，这些海域的面积约为300万平方公里。在《联合国海洋法公约》里有明确的定义：沿海国的主权及与其陆地领土及其内水以外邻接的一带海域，称为领海；每一个国家有权确定其领海的宽度，直至从公约确定的基线量起不超过十二海里的界限为止。简单来说，就是将陆域领土最外侧的海岛连接起来形成了领海基线，领海基线向陆地一侧的水域称为内水，向海的一侧依次是领海、毗连区、专属经济区、大陆架等管辖海域。内水以外，即领海基线以外12海里的区域为领海；再向外12海里的区域为毗连区；领海基线向外200海里的区域为专属经济区。▲《联合国海洋法公约》对海洋国土的规定如果这200海里是大陆架自然延伸，且周边没有其他国家，那么可以从200海里延伸到350海里，在这350海里的范围内，都被称为海洋国土。沿岸国家拥有这一块海域的资源开采权。此外，《联合国海洋法公约》还把海洋按照法律地位分成三个部分，第一部分是国家管辖的海域，也就是海洋国土；第二部分是公海；第三部分是国际海底。国际海底是指国家管辖海域范围以外的海床洋底及其底土。国际海底的面积大概是2.51亿平方公里，占地球表面的49%。1994年11月16日，《联合国海洋法公约》生效，同时成立了国际海底管理局，是管理国际海底区域及其资源的权威组织。在国际海底区域中，也有五块属于我国的特殊“海洋国土”，合计23.5万平方公里，我们国家对此区域内的海底矿产等资源具有专属勘探权和优先开采权。因此，这五个特殊的区域也相当于我们的海洋国土。这五块区域分别是经国际海底管理局批准，于2001年获得的7.5万平方公里东太平洋多金属结核勘探矿区；2011年获得的1万平方公里西南印度洋多金属硫化物勘探矿区；2013年获得的3000平方公里西太平洋富钴结壳、多金属结核勘探矿区；2014年获得的7.3万平方公里东太平洋富钴结壳和多金属结核勘探矿区，蕴藏亿吨级锰、钴、镍、铜等金属矿产资源；2019年获得的约7.4万平方公里西太平洋国际海底多金属结核勘探区域。大洋深处蕴藏着丰富的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等矿产资源。当陆地资源经过长久的开采利用已面临存量不多的困境时，国际海底就成了人们的重要矿区。 0 _& |% \) ~, z3 U5 U

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▲各国圈定的拥有优先勘探权和开采权的区域

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目前，已有很多海底区域通过前期的勘探调查，发现了可开发利用的有利资源。经过国际海底管理局的批准，各国也都圈定了拥有优先勘探权和开采权的区域。

海底宝藏采炼幻想钴作为一种金属元素，大家平常或许并不关注，但它却影响着我们生活的方方面面。尤其在充电电池、合金、染料、催化剂、磁铁、电镀、健康医疗、电子元件等生产制作过程中，钴都是不可或缺的重要元素。钴具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀的特点，有“工业牙齿”之称，也是航空、航天装备材料重要的添加剂。钴资源在地球上的分布却呈现出“陆地匮乏、海洋丰富”的情况。我国钴资源十分稀缺，但却是全球最大的钴消费国家，对钴资源的依赖使得我国必须尽快找到属于自己可开采的钴资源，才能在未来发展中占据主动。因此，到海底去开采钴资源就成为我们必须要涉及的话题。富钴结壳和多金属结核在太平洋、印度洋、大西洋的海底均有大量分布。那么如何开采海底钴资源呢？科研人员设计了“科幻版”的未来海底核动力采矿冶炼工厂。采矿车的核心利器是最前端的高强度涡轮，行动利器是为其专门设计的履带，控制利器是内部的机器人核心电脑，维保利器是灵活的多功能操作手，能量利器是尾端的充电连接杆。核潜艇搭载深海采矿冶炼工厂到达采矿区域后，释放出无人采矿车进行采矿作业；矿石通过传输带传输到艇内的冶炼工厂进行冶炼；无人采矿车电量用尽时可以通过核潜艇内的充电器进行充电。核潜艇中设置的核动力深海采矿冶炼工厂，其核心是一台钴、镍、铜等多金属矿石冶炼炉。开采的矿石通过自动传输管道进入冶炼炉冶炼，利用海底冰冷的海水作为冷却水，最终将精矿输出存入矿物储存仓，通过滤芯和环保处理器把废水和废渣排出，并将废渣压缩成环保回填物通过潜艇前置输出口送出去，再通过推动器推入到因开采在海底留下的坑中，最后由填充机的铲斗对压缩块进行压实作业。填充作业实现了废渣的原地回填，避免了废渣的排放污染。▲海底取样器和海底采矿车该方案有几大优势：一是海底核潜艇在水下航行或停泊时不受海面风浪影响；二是海水可以提供充足的工业冷却水；三是核能发电可为多种作业车辆提供源源不断的电能；四是深海无人采矿车制造技术在国内有良好基础；五是在核潜艇内安装小型冶炼工厂，具有一定科学可行性。从这些方面分析，关于海底核动力采矿冶炼工厂这个科学设想是具备一定的科学基础和可行性的。为此，国家需要更多未来的科学家、工程师，去将设想转变为现实。（本期图文、视频来自第812期首都科学讲堂）传播科学知识

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