深海多金属结核生长模拟及宏观形貌研究

研究旨在提出深海多金属结核生长的数值模拟方法,以获取典型的结核宏观形貌,为后续结核输运过程的冲击碎裂仿真提供几何模型。根据已有的深海多金属结核采样研究结果,假定矿物沉积速率满足正态分布。将多阶段时变随机沉积模型嵌入ABAQUS UMESHMOTION子程序中,通过控制网格节点移动实现了结核多阶段随机生长模拟,给出了结核不同生长阶段的外形及截面特性模拟结果。分析了鱼骨、鲨鱼牙齿、板岩、鹅卵石等典型不同核心物质及矿物沉积速率变异性对结核生长过程的影响,确定了核心物质在海床淤泥中埋置深度对结核生长形态的影响。研究表明：基于网格节点移动的结核生长模拟技术可有效处理结核几何拓扑变化较小的生长过程,核心物质的初始形状及其在海床上的埋置深度是影响结核形貌的主要原因,而矿物沉积速率的变异性则主要影响结核表面的光滑度。     

西太平洋多金属结核及其表层沉积物地球化学特征：沉积环境对结核生长的影响

西太平洋深海盆地同时发育多金属结核和富稀土沉积物,但针对多金属结核及其表层沉积物之间关系的研究较少。通过多金属结核-表层沉积物地球化学分析,揭示关键金属元素在结核、沉积物中的富集和分馏过程,探讨沉积过程与环境对多金属结核生长的影响。研究区多金属结核具有相对高的Co、REY含量,低的Mn/Fe比值,显示为典型的水成成因。主成分分析及相关性分析结果指示结核的成矿过程是在水成作用、成岩作用以及陆地碎屑、生物碎屑输入的作用下,Fe-Mn氧化物对海水及孔隙水中各类金属元素的选择性富集。研究区表层沉积物主要为深海黏土,相较于多金属结核富集大部分金属元素,深海黏土更为富集Si、Al、Na、K等元素。沉积物中Co、Ni、Cu等金属元素的富集与Fe-Mn微结核的含量相关,而REY与磷酸盐组分更为密切。Fe-Mn氧化物组分对海水中金属元素选择性吸附形成多元素的富集及显著的Ce正异常、Y负异常,而磷酸盐组分主要继承海水的稀土特征,它们的含量决定了沉积物中金属元素及稀土元素的含量和模式。结核及沉积物在关键元素富集的过程中有相似的过程,Fe-Mn氧化物组分是二者元素富集过程的载体。研究区的低生物生产力和低沉积速...     

深海沉积物抗剪强度影响因素及其变化规律

深海沉积物土工力学特性是研发深海海底作业装备的依据。利用现有的深海土工力学原位测量数据和取样分析的成果,采用回归分析方法,得到了沉积物物化组成等参数与抗剪强度的相关关系。研究表明:深海沉积物以粉质土、有机黏土为主,具有高含水率、大孔隙比、低密度等特征;随着埋藏深度的增加,深海沉积物的含水率和孔隙比逐渐减少,湿密度与抗剪强度则呈增大趋势;物理参数与抗剪强度之间有较好的相关关系,含水率、密度及孔隙比与抗剪强度的相关性明显,其中,密度与抗剪强度成正比,而含水率、孔隙比与抗剪强度成反比;以含水率、密度和孔隙比为自变量的多变量回归分析方程能更好地表达沉积物物理特性与抗剪强度的相关关系。     

深海多金属结核开采系统中的计算机系统

深海多金属结核开采系统中的计算机系统华克强，朱齐丹，赵连惠（哈尔滨工程大学）１深海多金属结核开采系统介绍深海矿产资源的开发是人类利用海洋资源的一个重要部分，世界大洋底沉积着极为丰富的多金属结核，其中含有几十种元素，尤以铜、铁、钴、锰含量最高，也是最有...     

深海采矿潜在环境影响因素及监测技术体系研究

目前深海采矿潜在的生态环境影响引起来了广泛关注,文章针对工业化深海金属矿产资源开采潜在的环境影响监测评估需要,系统地总结了深海铁锰多金属结核、铁锰富钴结壳以多金属硫化物等主要深海资源的基本产状,分析了“物质迁移-羽流产生-声光电磁噪声-耗氧-有毒物质释放”等主流采矿工艺潜在的环境影响因素,基于深海采矿生态环境影响评估调查研究的技术需求,从实施深海采矿环境监测实验工程、建立深海重大装备系统、发展原位监测传感器等方面提出了深海采矿环境监测技术体系建设构架,以期为我国深海采矿生态环境监测保护技术发展提供借鉴。     

基于深海采矿过程的环境影响分析与管理对策建议

深海矿产开发所产生的环境影响是目前制约深海采矿的重要问题之一,了解开发全过程的环境影响和生态响应是商业化开采的前提。本文以多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物三种具有代表性的深海固体矿产资源为例,分析了开发前赋存环境、开发过程中及开发后的环境影响。结果表明：①不同深海固体矿产资源的分布规律、深度以及生物特征等赋存环境存在较大差异,因采矿活动带来的赋存环境改变、对环境的影响以及采矿潜在影响区域、影响时长和恢复潜力也有所不同。②多金属结核开采的环境影响着重考虑了沉积物羽流的影响,结壳开采活动从沉积物扰动、外壳去除以及栖息地改变三个方面考虑环境影响,多金属硫化物开采的环境影响还要增加对有毒物质的释放以及栖息地移除两个方面的考虑。③深海采矿对底栖生物种群的数量和物种组成皆会造成不同程度的影响。最后,从持续跟进监测评估、充实数据、提升采矿技术与设备、顶层设计与决策管理、规则制定等方面提出了环境保护与可持续发展对策建议,为深海采矿的环境影响评价及规则制定提供参考。     

海底稀土分布及其控制因素研究进展

稀土是不可再生的重要自然资源,在高科技、冶金、石油、农业等领域广泛应用,因此对稀土的研究具有重要的应用价值和战略意义。本研究概述了国内外海洋环境中稀土元素研究进展,总结了稀土元素在海底沉积物、多金属结核(结壳)、热液硫化物以及海水中的来源、分布及控制因素,发现在多金属结核(结壳)及南太平洋东部、北太平洋中部和日本南鸟岛以南地区的深海泥中稀土元素比较富集,有一定开采价值;深海沉积物中的稀土元素主要受沉积物类型和海底火山活动影响,而陆缘海主要受粒度和物源影响,多金属结核(结壳)则主要受构造背景和氧化还原环境影响;对当前稀土研究中可能存在的问题进行了探讨,提出在稀土元素研究中应灵活应用新的研究手段。     

我国开发国际海底矿物资源的必要性和可行性

1 海底蕴藏着丰富的、具开采价值的多金属结核资源海底矿物资源种类繁多。目前所说的国际海底矿物资源主要指的是国家管辖范围以外的深海底的多金属结核、富钴的锰结壳和金属硫化物热液矿床。其中,海底多金属结核目前尤其引人瞩目。世界各大洋的深海底蕴藏有通称为锰结核的富含镍、铜、钴、锰等76种元素的多金属结核资源约3万亿吨,其     

试论大洋多金属结核的金属物质来源

研究多金属结核的金属物质来源对认识多金属结核的生成和分布具有重要意义.本文初步认为:大陆径流、洋底热液活动为深海多金属结核提供的金属物质可能是有限的,而玄武岩类火山物质的海解作用则可能是深海多金属结核的主要物质来源.     

世界大洋金属矿产资源勘查开发现状及问题

世界大洋底蕴藏着丰富的金属矿产资源,其所含的锰、钴、镍、稀土等矿产是陆地含量的数十倍乃至数百倍或更高,因此是未来矿产资源的接替区。本文介绍了世界大洋多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物及深海稀土等资源现状、分布及潜力,分析总结了21世纪以来国际海底区金属矿产勘查合同现状,并介绍了俄罗斯、巴布亚新几内亚、日本、中国等国家在其专属经济区内进行多金属结核、多金属硫化物开采实验的情况。由于世界大洋金属矿产资源丰富,潜力巨大,其勘查开发日益受到世界各国的重视,国际海底勘探合同不断增加,商业开发提上日程,但国际海底区的金属矿产资源开发仍面临技术、规章、环境等方面的制约和挑战。     

深海大型爬行机器人研究现状

对海底不同作业形式的深海大型爬行机器人进行了分类综述，依据当前深海大型爬行机器人在各方面的应用，将其分为了深海采矿机器人和深海挖沟机器人两大类，并对这两类中的一些性能突出的机器人进行了详细的介绍。重点介绍我国第一代、第二代多金属结核采矿机器人，SMD的3个多金属硫化物开采机器人，中科院深海所的富钴结壳规模采样爬行机器人，喷射式挖沟爬行机器人QT2800和机械式挖沟爬行机器人BT2400。并对深海大型爬行机器人的海底复杂行走技术和导航定位技术进行了阐述。行走技术方面，重点介绍Nexans公司的带有铰接式行走腿系统的Spider Dredger，中南大学的铰接履带式采矿机器人和北京矿冶研究总院的复合轮式机器人。导航定位方面，介绍了当前一些在用的深海导航定位技术。最后，对未来深海大型爬行机器人的发展趋势进行了展望。     

Regional Variability in Occurrence and Distribution of Polymetallic Nodules in the Central Indian Basin

Regional scale morphological studies on different-sized polymetallic nodules from the Central Indian Basin show that only 2–5 cm sized nodules have highest occurrence per station (92–94% along latitudes; 88–94% along longitudes). A nodule size shows an inverse relationship with the nodule distribution, grade, and abundance. Interestingly, only 3–4 and 4–5 cm sized nodules have highest grade, abundance, and distribution percentages along longitudes in P₁, first generation mine site and relinquished area, which further implies that the nodule mining along the longitude would be beneficial. Different-sized nodule groups suggest their formation under variable environmental conditions that existed in the Central Indian Basin. The coexistence of different-sized nodules suggests different environmental conditions existed in the Central Indian Basin.     

Resource Assessment of Polymetallic Nodules Using Acoustic Backscatter Intensity Data from the Korean Exploration Area,Northeastern Equatorial Pacific

A high level of confidence in resource data is a key prerequisite for conducting a reliable economic feasibility study in deep water seafloor mining. However, the acquisition of accurate resource data is difficult when employing traditional point-sampling methods to assess the resource potential of polymetallic nodules, given the vast size of the survey area and high spatial variability in nodule distribution. In this study, we analyzed high-resolution acoustic backscatter intensity images to estimate nodule abundance and increase confidence levels in nodule abundance data. We operated a 120 kHz deep-towed sidescan sonar (DSL-120) system (1×1 m resolution) across a 75 km² representative area in the Korean Exploration Area for polymetallic nodules in the Northeastern Equatorial Pacific. A deep-towed camera system was also run along two tracks in the same area to estimate the abundance of polymetallic nodules on the seafloor. Backscatter data were classified into four facies based on intensity. The facies with the weakest and strongest backscatter intensities occurred in areas of high slope gradient and basement outcrops, respectively. The backscatter intensities of the two other facies correlated well with the nodule abundances estimated from still-camera images. A linear fit between backscatter intensity and mean nodule abundance for 10 zones in the study area yielded an excellent correlation (r² = 0.97). This allowed us to compile a map of polymetallic nodule abundance that shows greater resolution than a map derived from the extrapolation of point-sampling data. Our preliminary analyses indicate that it is possible to greatly increase the confidence level of nodule resource data if the relationship between backscatter intensity and nodule abundance is reliably established. This approach has another key advantage over point sampling and image analyses in that detailed maps of mining obstacles along the seafloor are produced when acquiring data on the abundance of polymetallic nodules. The key limitation of this work is a poor correlation between nodule coverage, as observed from photographs, and nodule abundance. Significant additional ground truth sampling using well located box cores should be completed to determine whether or not there is a real correlation between the backscatter and abundance.     

东太平洋多金属结核中铁、锰元素的分形演化及其意义

运用分形理论,通过建立不同的相空间,计算了东太平洋多金属结核中的铁、锰元素的时间序列在各相空间中的关联分维,并与其在沉积物岩心中的关联分维进行了对比.通过研究发现,多金属结核中铁、锰元素和沉积物中Fe₂O₃及MnO在分形演化过程中均存在分维吸引子,认为沉积物中的Fe₂O₃和MnO可以用3个变量来描述,它们可能代表了火山、生物和陆地的三种来源,而描述结核中的铁、锰元素却需要14个变量,反映多金属结核中铁、锰元素的来源和/或赋存非常复杂,至少有14个因素在起作用,可能暗示了结核在形成过程中存在复杂的生物化学作用,为多金属结核的生物成因提供了间接的数学证据,同时也合理解释了结核生长结构所具有的自相似韵律现象.     

Deep-sea Polymetallic Nodule Mining: Challenges Ahead for Technologists and Environmentalists

Although, offshore mining for mineral wealth is not required at present, it may be the only alternative in the future due to the continuous growing demand for certain metals that have no or limited land deposits. Risk involved in deep-sea mining is not less than that in space missions. Limited groups of mining engineers and environmental scientists are conducting studies that influence the development of mining systems and subsystems for collection, screening, lifting, and transportation of deep-sea minerals. Accepting this challenge more than 20 years ago, the National Institute of Oceanography, Goa, started surveys and exploration for polymetallic nodules in the Indian Ocean and was the first to receive "Pioneer Status" recognition from the United Nations. Experiments have also been conducted to study the potential impacts of deep-seabed mining.     

中国多金属结核西示范区的结核小尺度分布特征

利用在中国多金属结核西示范区加密调查中获取的海底视像资料,通过水下定位数据处理和结核覆盖率计算,并结合多波束地形测量数据,从结核覆盖率分布角度对多金属结核的小尺度分布特征进行研究。研究结果表明:多金属结核分布与地形有一定的对应关系,在地形平缓区域,结核覆盖率变化较平缓,而在某些地形陡峭区域,由于块状结壳的形成,结核/结壳覆盖率出现明显的跃升;西示范区为结核高覆盖率分布区,结核覆盖率沿东西方向变化不大,由北向南呈增高趋势;地形坡度对结核分布有明显的影响,在区内0°~3.6°的坡度范围内,坡度越大,结核覆盖率越高。     

Manganese nodule formation in the Pacific Ocean: a general theory

An attempt is made to outline a satisfactory general theory for the formation of Pacific deep-sea manganese nodules based on a consideration of the time of initiation of formation of the nodules, a mechanism of maintenance of the nodules at the sediment surface and the role of biological productivity of the surface waters in influencing nodule characteristics. Using this model, the principal physical, chemical and distributional features of the nodules and reasons for their differences on a regional scale in the Pacific can be interpreted.     

Holothuroidea (Echinodermata) of the Peru Basin - Ecological and Taxonomic Remarks Based on Underwater Images

The megabenthos plays an important role in the abyssal ecosystem. The holothuroids have been proposed as indicators of physical disturbance of the seabed caused, for example, by commercial deep-sea mining of manganese nodules. Environmental studies at seabed mining claims have resulted in numerous still photographs that provide an overview of the megabenthos in manganese nodule fields. Data from these investigations and from the large-scale disturbance and recolonization experiment DISCOL have been used to summarize knowledge of the taxonomy and ecology of holothurians at manganese nodule sites.