深海技術與可持續發展

高振會,史先鵬

(1.國家深海基地管理中心 青島 266061;2.國家海洋局北海分局環境監測中心 青島 266033)

深海技術與可持續發展

高振會1,2,史先鵬1

(1.國家深海基地管理中心 青島 266061;2.國家海洋局北海分局環境監測中心 青島 266033)

文章在分析國際深海資源發展趨勢的基礎上,綜述了近年來國內外在深海技術方面的研究發展現狀;進一步闡述了發展深海技術、開發深海資源對于可持續發展戰略的重要意義;最后對我國深海技術的發展提出了幾點建議。

深海資源;深海技術;可持續發展

隨著社會的不斷發展,人們的物質、精神文明得到不斷提高,而隨之所凸顯出的資源匱乏問題愈發突出,資源問題成為21世紀全球焦點問題,對于資源相對短缺的中國更加嚴重[1]。1980年國際自然保護同盟的《世界自然資源保護大綱》就已經指出:“必須研究自然的、社會的、生態的、經濟的以及利用自然資源過程中的基本關系,以確保全球的可持續發展”。所以,可持續發展問題成為關系子孫后代幸福的根本問題[2]。人類社會誕生以來,就與海洋發生著密切的關系,人們開發海洋、利用海洋,對于淺海的探索和利用技術已經較為成熟,而對于幾千米甚至上萬米的深海卻只能“望洋興嘆”。神秘的深海蘊藏著豐富的資源,深海資源的開采需要深海技術做支撐。筆者首先對國際深海資源發展情況進行了介紹,進而綜述了關于深海技術的國內外發展現狀,從深海技術與可持續發展的兩層含義出發說明了深海技術的可持續發展與深海技術對國民經濟社會生活可持續發展的重要意義,說明了人類最終要向海洋進軍,開發海洋資源,發展深海技術大勢所趨,并結合我國國情,對我國深海技術的發展方向進行了展望,就我國未來深海技術的發展提出了幾點建議。

1 國際深海資源發展趨勢

隨著《聯合國海洋法公約》的生效和200海里專屬經濟區制度的建立,處于大洋深處而屬于全人類共同繼承財產的國際海底區域,正以其廣闊的空間、豐富的資源和特殊的政治地位日益成為各國關注的重要戰略區域[3]。深海海域蘊藏著豐富的國家經濟發展和國防建設不可或缺的重要戰略物質。其中,多金屬結核、熱液硫化物、深海石油、“可燃冰”和深海生物基因等都是世界各國激烈爭奪的高價值深海自然資源[4-6]。

1.1 多金屬結核

多金屬結核分布于水深4 000～6 000 m海底,富含銅、鎳、鈷和錳等金屬的多金屬結核(圖1),具有商業開發價值的儲量多達700億t,它含有70多種元素,其中鎳、鈷、銅、錳的平均品位分別為:鎳1.3%,鈷0.22%,銅1%,錳25%,其總量分別高出陸上相應儲量的幾十倍到上千倍,具有很高的經濟價值。

圖1 多金屬結核

1.2 熱液硫化物

熱液硫化物分布于水深800～3 500 m海底大洋中脊和斷裂活動帶的海底熱液硫化物及分布于水深800～2 500 m海底山表面的富鈷結殼(圖2)。主要元素為銅、鋅、鐵和錳等,另外銀、金、鈷、鎳和鉑等也在一些地區達到工業品位。從海底熱液礦床的產出及開采看,它與錳結核或鈷結殼相比,具有水深淺、礦體富集度大、易于開采和冶煉等特點。

圖2 熱液硫化物

1.3 富鈷結殼

富鈷結殼分布于水深800～3 000 m的海山、島嶼斜坡上(圖3)。富含鈷、鎳、鋅、鉛、鈰、鉑和稀有地質元素(REE)等金屬,其中鈷的含量為0.4%～1.2%,是多金屬結核鈷含量的4倍以上。鈷平均含量較陸地原生鈷礦高幾十倍,鉑平均含量高于陸殼80倍。

圖3 富鈷結殼

1.4 深海石油

據統計,世界海洋石油資源量占全球石油資源總量的34%,蘊藏量約1 350億t,其中已探明儲量的為380億t。目前,全球已有100多個國家在進行海上石油勘探,其中進行深海海底勘探的有50多個國家。

1.5 海底“可燃冰”

海底的天然氣水合物“可燃冰”,是一種由碳氫氣體與水分子組成的白色結晶狀固態物質,外形如冰雪,普遍存在于世界各大洋沉積層的孔隙中。根據國際天然氣潛力委員會的初步統計,世界各大洋天然氣水合物的總量換算成甲烷氣體,大約相當于全世界煤、石油和天然氣等總儲量的兩倍。被認為是一種可供21世紀開發的新型能源。20世紀80年代以來,俄羅斯、美國、加拿大、德國、荷蘭、日本和印度等國都在天然氣水合物研究方面給予高度重視,已著手安排全世界海洋沉積物上層研究計劃。

1.6 海底生物基因

深海生物物種豐富,功能各異,它處于獨特的物理、化學和生態環境中,在極微弱的光照條件下,形成了極為獨特的生物結構、代謝機制,體內產生了特殊的生物活性物質。例如,嗜堿、嗜熱、嗜冷、耐壓和抗毒的各種極端酶。這些特殊的生物活性物質是深海生物資源中最有應用價值的部分。深海生物因其資源在工業、醫藥、環保和國防等領域都將有廣泛的應用。目前國際上深海生物基因資源的應用已經帶來數十億美元的產業價值。海洋科學家發現,在世界最深的1.1萬多m的馬里亞納海溝也有生物存在。深海生物基因作為一種新型的生物資源已經引起國際社會的廣泛關注。

美國、俄羅斯、日本和法國等國家為搶占深海資源,掀起了愈演愈烈的“藍色圈地運動”,新一輪“圈地”運動在“區域”法律制度框架下展開。

2 深海技術國內外發展現狀

世界各國所開展的“藍色圈地運動”占有了自己所屬的國際公海海域以后,深海資源的勘查開采任務需要由深海技術做支撐。目前的深海技術主要包括深海運載技術、深海采掘設備技術、長距離水聲通信、高精度深水定位技術和遙測遙控系統集成技術等在內的深海高技術群,已成為與航天技術并駕齊驅的高技術領域。深海技術的每一項關鍵技術都不是孤立存在的,深海潛水器幾乎集成了深海技術的所有關鍵技術,下文將重點從世界各國在深海運載技術即深海潛水器方面的進展展開綜述。

深海潛水器又可稱為智能水下機器人,目前研究較多的包括AUV、ROV、UUV和載人潛水器(HOV)等,每一類潛器又有其不同分類,詳細可參考文獻[7]至文獻[9]。目前,世界各國都在努力發展深海潛水器技術,搶占深海技術制高點,即深海潛水器發展技術水平是衡量一個國家深海技術的主要標志,也體現著一個國家對深海開發和利用的綜合實力。

2.1 深海技術國外發展現狀

21世紀是海洋世紀,人們在探索遙遠空天的同時,發現了廣袤的深海所蘊含著的巨大的戰略資源,世界各國將目光關注到深海高技術的發展上,許多國家政府競相投入巨資發展深海潛水器技術,沿海各國政府積極調整海洋政策,優先發展深海高新技術,以加快本國海洋開發的進程。深海開發、深海潛水器技術成為國際事務的熱點領域之一,眾多沿海國家將海洋技術的發展列為新世紀重要戰略任務[10]。

美國、日本、俄羅斯和法國等國家已掌握4 500 m以下深度的載人潛水技術;超過6 000 m深海區域資源的測量、探礦、運輸和開發技術也取得巨大突破。深海運載技術和水聲通信定位技術是目前最有現實應用價值的深海高技術領域。各國依托于各自的研究所或設計局等專門機構,為深海潛水器的研發、維護及功能保障發揮著重要的作用。如表1羅列了目前國際上在載人深海潛器方面走在前列的幾個國家所研制的代表性潛水器及其主要用途。

表1 深海潛水器發展代表性國家

續表

2.1.1 美國伍茲豪爾海洋研究所

美國在深海技術方面的發展以伍茲霍爾海洋研究所(W HO I)為主,自1964年由伍茲霍爾實驗室成功研制“阿爾文”(A lvin)號載人潛水器以來,已經成為目前下潛次數最多的載人潛水器,該潛水器主要執行海洋科學研究、海洋資源勘探、海洋環境監測、海洋生物和軍事應用等下潛任務。

除此之外,6 000 m水下遙控機器人(ROV)Jason II、6 000 m自治水下機器人(AUV)ABE以及深海水下拖曳觀測系統等都在深海調查和研究中發揮著重要的作用。為了滿足未來深海資源勘探開發、軍事應用的需要,并力圖搶占深海技術制高點,美國政府決定再建造一艘潛深為6 500 m的“新阿爾文”號載人潛水器。該潛水器的有效載荷、電池容量和機動性能將會有很大提高,并配有先進的導航設備和圖像采集顯示系統。為完成海洋發展戰略,伍茲霍爾海洋研究所建設了世界上最著名的大深度潛水器基地,整合集中了美國海岸警衛隊、美國地質調查局、國家海洋漁業服務局、海洋生物實驗室和海洋教育協會等多家研究和教育機構的裝備和研究力量。

2.1.2 俄羅斯希爾紹夫海洋研究所

盡管俄羅斯陸地資源十分豐富,但其在國際海底區域資源勘察與技術儲備方面的工作從未停止,繼1987年第一個向聯合國提出多金屬結核礦區申請后,1998年又率先向管理局提出了制定其他深海資源制度的協議。在深海高技術方面,一直處于領先地位。除前蘇聯在20世紀80年代研制的“和平一”(Mir I)號和“和平二”(Mir II)號深海載人潛水器外,20世紀90年代末俄羅斯又完成了“俄羅斯號”(RUS)和“領事號”(CONSUL)深海載人潛水器的制造。

目前俄羅斯已利用深海載人潛水器對海底熱液硫化物、海底生物及浮游生物和大洋中脊水溫場等進行了調查、取樣和測量,并對1989年俄羅斯海軍失事的“共青團員”號核潛艇進行了核輻射現場檢測。2007年8月2日,俄羅斯“和平一號”抵達4 261 m深的北冰洋海底,插上了一面鈦合金俄羅斯國旗,這是人類首次進入北冰洋洋底。目前俄羅斯正在研究超萬米級的深海載人潛水器,以確保俄羅斯在深海技術領域的領先地位。

2.1.3 日本國家海洋科技中心

從1985年開始,歷時5年,日本成功研制極限深度為6 500 m的“深海6 500”(Shinkai 6 500)號載人潛水器。通過下潛調查,日本在多金屬結核、熱液礦床和鈷結殼等領域取得了長足發展,同時“深海6 500”號載人潛水器還發現了許多典型的深海生物群,掌握了300～6 000 m不同深度海洋生物的分布情況,確立了日本在海洋生物研究方面的領先優勢。“深海6 500”號載人潛水器隸屬于日本國家海洋科技中心(JAM STEC),并成立了專門的維護、維修及日常管理機構。日本政府投入巨資支持日本海洋科技中心(JAM STEC)的發展,該中心開發的無人遙控潛水器深度已達11 000 m。日本對可燃冰開發技術的儲備與發展,使其有可能在21世紀從能源進口國轉為出口國。

2.1.4 法國海洋開發研究院

法國海洋開發研究院(Ifremer)于1985年成功研制下潛深度為6 000 m的“鸚鵡螺”(Nautile)號深海載人潛水器,該潛水器不僅可以進行多種海底樣品采集等復雜的作業任務,還能隨時獲得裝備所處的精確位置。利用它已經對多金屬結核區域、海溝及深海海底生態等進行了調查,并對沉船和海底有害核廢料等進行了搜索。

另外,韓國等國家在深海資源開發方面也不示弱,近年來不斷加大深海資源開發投入力度,于1998年研制成功了6 000 m水下無人機器人,正在太平洋有關國際海域進行熱液硫化物和富鈷結殼礦區的選區調查。為了搶占深海開發領域的制高點,對于海洋的一些重大科學問題,包括全球海洋觀測、海洋科學鉆探、熱液海洋過程及其生態系統、海洋生物多樣性等“海洋大科學”課題。研究十分活躍,這些課題的成果對于揭示生命起源、宇宙起源、人類起源(海洋人類學),研究氣候變化、生物多樣性、海洋健康和廢物清除及防災減災等,具有重要的科學和現實意義。

2.2 我國在深海技術方面的發展現狀

我國自20世紀70年代開始進行遠洋科學勘查、國際海底區域資源勘探和深海環境調查研究等工作,在黨中央、國務院對國際海底區域資源勘探開發工作的高度重視下,“九五”和“十五”期間,深海技術的研究、開發和應用取得了顯著成效。國家“十一五”規劃將海洋作為一個單獨的領域設置立項,設置了海洋安全環境監測保障技術、海底資源的開發技術和海洋生物技術三大板塊,其中深海開發技術得到空前發展。

2.2.1 我國在深海技術方面取得的成績

在各相關科研部門的密切合作下,我國在深海潛水器等深海儀器研發方面取得了長足的進步[11]。短短十幾年,我國深海潛水器完成了從無到有的歷史跨越,研究與制造水平已躋身于世界先進行列。先后成功研究制造了QSZ-I型常壓潛水裝具、QSZ-II型常壓潛水裝具、8A 4纜控水下機器人、“探索者”號無人無纜自治水下機器人、6 000 m無人無纜自治水下機器人(CR-01)和“蛟龍”號7 000 m載人潛水器等深海作業工具。其中“蛟龍”號載人潛水器是目前為止世界上能夠到達海底最深的載人潛水器。這臺潛水器總體技術指標達到國際領先水平,向世界展示了我國科學技術的實力,可使我國的深海調查能力范圍覆蓋世界99%以上的洋底,將在21世紀我國研究開發國際海底資源的事業中發揮不可替代的作用。

2.2.2 我國深海技術與國際上存在的差距

我國在深海技術和設備研制方面取得了較大的進步,但由于深海事業起步時間較晚,和國外先進國家尤其是美、歐等國差距較為明顯,大體可以概括為以下7個方面[12]。

(1)我國目前已經自主研發的深海儀器設備,品種較少,且設備的穩定性、可靠性及標準化等指標有待進一步完善和提高。大多設備處在實驗室實驗研究階段,需要進一步通過屢次海試加以技術指標及性能上的改進和升級。

(2)深海儀器儀表研發自主創新能力不夠,深海技術缺乏創新性,大多數深海儀器設備或技術處在引進再消化吸收階段。例如,對于長距離高精度超短基線定位系統和高精度多波束系統等國外禁運的高、精、尖海洋科技設備,國內的研制水平相對較低,精確度和穩定性相對欠缺。所以,這更迫使我們必須發揚艱苦奮斗精神,實現海洋高端設備的自主研發與創新。

(3)深海技術研發力量大多集中在高校及科研院所,深海技術研發單一依靠政府投資,在政府不斷擴大投資力度的基礎上,未能將深海技術研發與市場機制有效結合,參與深海儀器研發的公司企業較少,且各單位之間技術分布較為分散,較難形成市場促進體制,深海儀器設備產業化程度不高。

(4)缺乏以深海研究為主的基地,國際間合作不夠,深海開發未充分與地球及海洋科學結合起來,缺乏相關理論創新。深海基礎理論研究薄弱,深海高技術人才短缺,創新團隊較少。

(5)我國對深海技術研發方面的重視程度還遠遠不夠。“航天”和“下海”事業是國家的兩項重大科技工程,由于在航天方面大量的資金投入,我國已具備了自主探測外太空的能力,但對“近在咫尺”物產豐富的廣袤深海的探測和認知卻相當有限。相比于航天工程,深海事業由于長期缺少投入,與發達國家相比落后甚多。

(6)除了深海技術裝備整體研制和生產能力跟發達國家有一定差距外,我國深海通用基礎件技術較為薄弱。例如,深海浮力材料、海洋工程材料、水密線纜、水下電機及水下通信等一系列相對低價但非常重要的基礎材料和元器件,我國幾乎全部依賴進口,嚴重制約了深海技術的發展。

(7)海洋科學、深海技術宣傳力度不夠。國民的海洋意識較為淡薄,認知度較低,對于深海技術的了解更是少之又少。中國作為擁有14億人口的大國,人們對于航天事業的發展相對較為了解,而卻忽視了海洋事業以及深海技術同航天事業的同等重要性。

3 深海技術與可持續發展的關系

深海技術為海底資源的開發和利用提供了支撐保障,合理地開發和利用深海資源,應該處理好深海技術與可持續發展之間的關系,包括深海技術的自我可持續發展和深海技術對國民經濟發展及人民生活的可持續發展兩個層面的含義。

3.1 深海技術的自我可持續發展

深海技術的自我可持續發展,意在建立一套合理的深海技術發展體制,提高深海技術自我持續發展的能力和國際競爭力。發展深海技術產業,建立開放的深海技術研發、深海資源勘察公共服務平臺,以平臺為軸心輻射國內外深海科研單位。做到國內深海技術研發各單位之間的優勢互補,重視深海技術研發部門之間的科研成果銜接和拓展,從而推動深海技術的不斷向前可持續發展。

3.2 深海技術對國民經濟發展及人民生活的可持續發展

人類生活隨著資源的日漸匱乏,合理地開發和利用深海資源已是必由之路。我國沿海省市陸地面積占全國總面積的13.4%,卻承載著40.2%相對富裕的人口,創造出占全國62%的國民生產總值,根本原因得益于富饒的海洋資源寶庫。

我國對于淺海資源的開發和利用技術已經相對較為成熟,而對于深海的探索才剛剛起步,所以,大力發展深海技術,有效和合理地開發深海資源,把我國建成海洋經濟技術強國、緩解我國在發展中所面臨的人口、資源和環境方面日益嚴重的壓力,對我國實現社會經濟的可持續發展,把我國建設成社會主義現代化強國,具有重要的意義和不可替代的作用。我國建成海洋經濟強國的關鍵在于用高新技術改造海洋傳統產業,通過深海技術的發展來帶動整個海洋事業的發展。

4 我國深海技術發展的幾點建議

(1)國家應高度重視深海技術研發工作。面對深海技術領域人才缺乏和設備落后等不利現狀,應該加大投入、加強領導、加強協調搞會戰,像重視航天事業一樣狠抓深海技術工作,要有強有力的政策保障和財力支持。

(2)21世紀是海洋世紀,同時也是尊重人才重視人才的世紀。應該大力引進深海技術領域的國外高級人才,加強深海技術創新團隊的建設。緊跟國際深海技術的發展潮流,同時要具備自主創新能力,建設一批產、學、研相結合的研究基地,從而保障我國深海技術可持續發展。

(3)在大力支持和發展深海潛水機器人的基礎上,整合國內資源,形成國家競爭優勢,提高我國參與國際競爭的整體實力,以國家已批復建設的國家深海基地管理中心為公共服務平臺,服務于深海潛水器的維修、維護和保障工作,形成深海潛水器的集中研究力量,從而使得科研力量輻射全國乃至全世界。以“蛟龍”號潛水器為特色,以大項目帶動相關技術的發展,攻克深海技術難關,提升我國在海洋科技開發與成果轉化、海洋生態環境保護和資源開發與可持續發展等方面的能力。

(4)借“十一五”海洋領域所取得的成績和發展勢頭,在“十二五”開局的前幾年,國家應進一步加大對深海技術研究領域的投資力度,掀起國內深海技術領域研究更高的熱潮。

(5)加強國際合作和交流,特別對于深海載人潛水器等高精尖設備的研發及業務化運行,更應該積極吸收國外的先進技術和經驗。著重加強國內深海技術科研院所的交流,做到優勢互補、群策群力,為我國深海事業的進一步發展而共同努力。

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