深海技术与可持续发展

高振会,史先鹏

(1.国家深海基地管理中心 青岛 266061;2.国家海洋局北海分局环境监测中心 青岛 266033)

深海技术与可持续发展

高振会1,2,史先鹏1

(1.国家深海基地管理中心 青岛 266061;2.国家海洋局北海分局环境监测中心 青岛 266033)

文章在分析国际深海资源发展趋势的基础上,综述了近年来国内外在深海技术方面的研究发展现状;进一步阐述了发展深海技术、开发深海资源对于可持续发展战略的重要意义;最后对我国深海技术的发展提出了几点建议。

深海资源;深海技术;可持续发展

随着社会的不断发展,人们的物质、精神文明得到不断提高,而随之所凸显出的资源匮乏问题愈发突出,资源问题成为21世纪全球焦点问题,对于资源相对短缺的中国更加严重[1]。1980年国际自然保护同盟的《世界自然资源保护大纲》就已经指出:“必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系,以确保全球的可持续发展”。所以,可持续发展问题成为关系子孙后代幸福的根本问题[2]。人类社会诞生以来,就与海洋发生着密切的关系,人们开发海洋、利用海洋,对于浅海的探索和利用技术已经较为成熟,而对于几千米甚至上万米的深海却只能“望洋兴叹”。神秘的深海蕴藏着丰富的资源,深海资源的开采需要深海技术做支撑。笔者首先对国际深海资源发展情况进行了介绍,进而综述了关于深海技术的国内外发展现状,从深海技术与可持续发展的两层含义出发说明了深海技术的可持续发展与深海技术对国民经济社会生活可持续发展的重要意义,说明了人类最终要向海洋进军,开发海洋资源,发展深海技术大势所趋,并结合我国国情,对我国深海技术的发展方向进行了展望,就我国未来深海技术的发展提出了几点建议。

1 国际深海资源发展趋势

随着《联合国海洋法公约》的生效和200海里专属经济区制度的建立,处于大洋深处而属于全人类共同继承财产的国际海底区域,正以其广阔的空间、丰富的资源和特殊的政治地位日益成为各国关注的重要战略区域[3]。深海海域蕴藏着丰富的国家经济发展和国防建设不可或缺的重要战略物质。其中,多金属结核、热液硫化物、深海石油、“可燃冰”和深海生物基因等都是世界各国激烈争夺的高价值深海自然资源[4-6]。

1.1 多金属结核

多金属结核分布于水深4 000～6 000 m海底,富含铜、镍、钴和锰等金属的多金属结核(图1),具有商业开发价值的储量多达700亿t,它含有70多种元素,其中镍、钴、铜、锰的平均品位分别为:镍1.3%,钴0.22%,铜1%,锰25%,其总量分别高出陆上相应储量的几十倍到上千倍,具有很高的经济价值。

图1 多金属结核

1.2 热液硫化物

热液硫化物分布于水深800～3 500 m海底大洋中脊和断裂活动带的海底热液硫化物及分布于水深800～2 500 m海底山表面的富钴结壳(图2)。主要元素为铜、锌、铁和锰等,另外银、金、钴、镍和铂等也在一些地区达到工业品位。从海底热液矿床的产出及开采看,它与锰结核或钴结壳相比,具有水深浅、矿体富集度大、易于开采和冶炼等特点。

图2 热液硫化物

1.3 富钴结壳

富钴结壳分布于水深800～3 000 m的海山、岛屿斜坡上(图3)。富含钴、镍、锌、铅、铈、铂和稀有地质元素(REE)等金属,其中钴的含量为0.4%～1.2%,是多金属结核钴含量的4倍以上。钴平均含量较陆地原生钴矿高几十倍,铂平均含量高于陆壳80倍。

图3 富钴结壳

1.4 深海石油

据统计,世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的34%,蕴藏量约1 350亿t,其中已探明储量的为380亿t。目前,全球已有100多个国家在进行海上石油勘探,其中进行深海海底勘探的有50多个国家。

1.5 海底“可燃冰”

海底的天然气水合物“可燃冰”,是一种由碳氢气体与水分子组成的白色结晶状固态物质,外形如冰雪,普遍存在于世界各大洋沉积层的孔隙中。根据国际天然气潜力委员会的初步统计,世界各大洋天然气水合物的总量换算成甲烷气体,大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍。被认为是一种可供21世纪开发的新型能源。20世纪80年代以来,俄罗斯、美国、加拿大、德国、荷兰、日本和印度等国都在天然气水合物研究方面给予高度重视,已着手安排全世界海洋沉积物上层研究计划。

1.6 海底生物基因

深海生物物种丰富,功能各异,它处于独特的物理、化学和生态环境中,在极微弱的光照条件下,形成了极为独特的生物结构、代谢机制,体内产生了特殊的生物活性物质。例如,嗜碱、嗜热、嗜冷、耐压和抗毒的各种极端酶。这些特殊的生物活性物质是深海生物资源中最有应用价值的部分。深海生物因其资源在工业、医药、环保和国防等领域都将有广泛的应用。目前国际上深海生物基因资源的应用已经带来数十亿美元的产业价值。海洋科学家发现,在世界最深的1.1万多m的马里亚纳海沟也有生物存在。深海生物基因作为一种新型的生物资源已经引起国际社会的广泛关注。

美国、俄罗斯、日本和法国等国家为抢占深海资源,掀起了愈演愈烈的“蓝色圈地运动”,新一轮“圈地”运动在“区域”法律制度框架下展开。

2 深海技术国内外发展现状

世界各国所开展的“蓝色圈地运动”占有了自己所属的国际公海海域以后,深海资源的勘查开采任务需要由深海技术做支撑。目前的深海技术主要包括深海运载技术、深海采掘设备技术、长距离水声通信、高精度深水定位技术和遥测遥控系统集成技术等在内的深海高技术群,已成为与航天技术并驾齐驱的高技术领域。深海技术的每一项关键技术都不是孤立存在的,深海潜水器几乎集成了深海技术的所有关键技术,下文将重点从世界各国在深海运载技术即深海潜水器方面的进展展开综述。

深海潜水器又可称为智能水下机器人,目前研究较多的包括AUV、ROV、UUV和载人潜水器(HOV)等,每一类潜器又有其不同分类,详细可参考文献[7]至文献[9]。目前,世界各国都在努力发展深海潜水器技术,抢占深海技术制高点,即深海潜水器发展技术水平是衡量一个国家深海技术的主要标志,也体现着一个国家对深海开发和利用的综合实力。

2.1 深海技术国外发展现状

21世纪是海洋世纪,人们在探索遥远空天的同时,发现了广袤的深海所蕴含着的巨大的战略资源,世界各国将目光关注到深海高技术的发展上,许多国家政府竞相投入巨资发展深海潜水器技术,沿海各国政府积极调整海洋政策,优先发展深海高新技术,以加快本国海洋开发的进程。深海开发、深海潜水器技术成为国际事务的热点领域之一,众多沿海国家将海洋技术的发展列为新世纪重要战略任务[10]。

美国、日本、俄罗斯和法国等国家已掌握4 500 m以下深度的载人潜水技术;超过6 000 m深海区域资源的测量、探矿、运输和开发技术也取得巨大突破。深海运载技术和水声通信定位技术是目前最有现实应用价值的深海高技术领域。各国依托于各自的研究所或设计局等专门机构,为深海潜水器的研发、维护及功能保障发挥着重要的作用。如表1罗列了目前国际上在载人深海潜器方面走在前列的几个国家所研制的代表性潜水器及其主要用途。

表1 深海潜水器发展代表性国家

续表

2.1.1 美国伍兹豪尔海洋研究所

美国在深海技术方面的发展以伍兹霍尔海洋研究所(W HO I)为主,自1964年由伍兹霍尔实验室成功研制“阿尔文”(A lvin)号载人潜水器以来,已经成为目前下潜次数最多的载人潜水器,该潜水器主要执行海洋科学研究、海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋生物和军事应用等下潜任务。

除此之外,6 000 m水下遥控机器人(ROV)Jason II、6 000 m自治水下机器人(AUV)ABE以及深海水下拖曳观测系统等都在深海调查和研究中发挥着重要的作用。为了满足未来深海资源勘探开发、军事应用的需要,并力图抢占深海技术制高点,美国政府决定再建造一艘潜深为6 500 m的“新阿尔文”号载人潜水器。该潜水器的有效载荷、电池容量和机动性能将会有很大提高,并配有先进的导航设备和图像采集显示系统。为完成海洋发展战略,伍兹霍尔海洋研究所建设了世界上最著名的大深度潜水器基地,整合集中了美国海岸警卫队、美国地质调查局、国家海洋渔业服务局、海洋生物实验室和海洋教育协会等多家研究和教育机构的装备和研究力量。

2.1.2 俄罗斯希尔绍夫海洋研究所

尽管俄罗斯陆地资源十分丰富,但其在国际海底区域资源勘察与技术储备方面的工作从未停止,继1987年第一个向联合国提出多金属结核矿区申请后,1998年又率先向管理局提出了制定其他深海资源制度的协议。在深海高技术方面,一直处于领先地位。除前苏联在20世纪80年代研制的“和平一”(Mir I)号和“和平二”(Mir II)号深海载人潜水器外,20世纪90年代末俄罗斯又完成了“俄罗斯号”(RUS)和“领事号”(CONSUL)深海载人潜水器的制造。

目前俄罗斯已利用深海载人潜水器对海底热液硫化物、海底生物及浮游生物和大洋中脊水温场等进行了调查、取样和测量,并对1989年俄罗斯海军失事的“共青团员”号核潜艇进行了核辐射现场检测。2007年8月2日,俄罗斯“和平一号”抵达4 261 m深的北冰洋海底,插上了一面钛合金俄罗斯国旗,这是人类首次进入北冰洋洋底。目前俄罗斯正在研究超万米级的深海载人潜水器,以确保俄罗斯在深海技术领域的领先地位。

2.1.3 日本国家海洋科技中心

从1985年开始,历时5年,日本成功研制极限深度为6 500 m的“深海6 500”(Shinkai 6 500)号载人潜水器。通过下潜调查,日本在多金属结核、热液矿床和钴结壳等领域取得了长足发展,同时“深海6 500”号载人潜水器还发现了许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况,确立了日本在海洋生物研究方面的领先优势。“深海6 500”号载人潜水器隶属于日本国家海洋科技中心(JAM STEC),并成立了专门的维护、维修及日常管理机构。日本政府投入巨资支持日本海洋科技中心(JAM STEC)的发展,该中心开发的无人遥控潜水器深度已达11 000 m。日本对可燃冰开发技术的储备与发展,使其有可能在21世纪从能源进口国转为出口国。

2.1.4 法国海洋开发研究院

法国海洋开发研究院(Ifremer)于1985年成功研制下潜深度为6 000 m的“鹦鹉螺”(Nautile)号深海载人潜水器,该潜水器不仅可以进行多种海底样品采集等复杂的作业任务,还能随时获得装备所处的精确位置。利用它已经对多金属结核区域、海沟及深海海底生态等进行了调查,并对沉船和海底有害核废料等进行了搜索。

另外,韩国等国家在深海资源开发方面也不示弱,近年来不断加大深海资源开发投入力度,于1998年研制成功了6 000 m水下无人机器人,正在太平洋有关国际海域进行热液硫化物和富钴结壳矿区的选区调查。为了抢占深海开发领域的制高点,对于海洋的一些重大科学问题,包括全球海洋观测、海洋科学钻探、热液海洋过程及其生态系统、海洋生物多样性等“海洋大科学”课题。研究十分活跃,这些课题的成果对于揭示生命起源、宇宙起源、人类起源(海洋人类学),研究气候变化、生物多样性、海洋健康和废物清除及防灾减灾等,具有重要的科学和现实意义。

2.2 我国在深海技术方面的发展现状

我国自20世纪70年代开始进行远洋科学勘查、国际海底区域资源勘探和深海环境调查研究等工作,在党中央、国务院对国际海底区域资源勘探开发工作的高度重视下,“九五”和“十五”期间,深海技术的研究、开发和应用取得了显著成效。国家“十一五”规划将海洋作为一个单独的领域设置立项,设置了海洋安全环境监测保障技术、海底资源的开发技术和海洋生物技术三大板块,其中深海开发技术得到空前发展。

2.2.1 我国在深海技术方面取得的成绩

在各相关科研部门的密切合作下,我国在深海潜水器等深海仪器研发方面取得了长足的进步[11]。短短十几年,我国深海潜水器完成了从无到有的历史跨越,研究与制造水平已跻身于世界先进行列。先后成功研究制造了QSZ-I型常压潜水装具、QSZ-II型常压潜水装具、8A 4缆控水下机器人、“探索者”号无人无缆自治水下机器人、6 000 m无人无缆自治水下机器人(CR-01)和“蛟龙”号7 000 m载人潜水器等深海作业工具。其中“蛟龙”号载人潜水器是目前为止世界上能够到达海底最深的载人潜水器。这台潜水器总体技术指标达到国际领先水平,向世界展示了我国科学技术的实力,可使我国的深海调查能力范围覆盖世界99%以上的洋底,将在21世纪我国研究开发国际海底资源的事业中发挥不可替代的作用。

2.2.2 我国深海技术与国际上存在的差距

我国在深海技术和设备研制方面取得了较大的进步,但由于深海事业起步时间较晚,和国外先进国家尤其是美、欧等国差距较为明显,大体可以概括为以下7个方面[12]。

(1)我国目前已经自主研发的深海仪器设备,品种较少,且设备的稳定性、可靠性及标准化等指标有待进一步完善和提高。大多设备处在实验室实验研究阶段,需要进一步通过屡次海试加以技术指标及性能上的改进和升级。

(2)深海仪器仪表研发自主创新能力不够,深海技术缺乏创新性,大多数深海仪器设备或技术处在引进再消化吸收阶段。例如,对于长距离高精度超短基线定位系统和高精度多波束系统等国外禁运的高、精、尖海洋科技设备,国内的研制水平相对较低,精确度和稳定性相对欠缺。所以,这更迫使我们必须发扬艰苦奋斗精神,实现海洋高端设备的自主研发与创新。

(3)深海技术研发力量大多集中在高校及科研院所,深海技术研发单一依靠政府投资,在政府不断扩大投资力度的基础上,未能将深海技术研发与市场机制有效结合,参与深海仪器研发的公司企业较少,且各单位之间技术分布较为分散,较难形成市场促进体制,深海仪器设备产业化程度不高。

(4)缺乏以深海研究为主的基地,国际间合作不够,深海开发未充分与地球及海洋科学结合起来,缺乏相关理论创新。深海基础理论研究薄弱,深海高技术人才短缺,创新团队较少。

(5)我国对深海技术研发方面的重视程度还远远不够。“航天”和“下海”事业是国家的两项重大科技工程,由于在航天方面大量的资金投入,我国已具备了自主探测外太空的能力,但对“近在咫尺”物产丰富的广袤深海的探测和认知却相当有限。相比于航天工程,深海事业由于长期缺少投入,与发达国家相比落后甚多。

(6)除了深海技术装备整体研制和生产能力跟发达国家有一定差距外,我国深海通用基础件技术较为薄弱。例如,深海浮力材料、海洋工程材料、水密线缆、水下电机及水下通信等一系列相对低价但非常重要的基础材料和元器件,我国几乎全部依赖进口,严重制约了深海技术的发展。

(7)海洋科学、深海技术宣传力度不够。国民的海洋意识较为淡薄,认知度较低,对于深海技术的了解更是少之又少。中国作为拥有14亿人口的大国,人们对于航天事业的发展相对较为了解,而却忽视了海洋事业以及深海技术同航天事业的同等重要性。

3 深海技术与可持续发展的关系

深海技术为海底资源的开发和利用提供了支撑保障,合理地开发和利用深海资源,应该处理好深海技术与可持续发展之间的关系,包括深海技术的自我可持续发展和深海技术对国民经济发展及人民生活的可持续发展两个层面的含义。

3.1 深海技术的自我可持续发展

深海技术的自我可持续发展,意在建立一套合理的深海技术发展体制,提高深海技术自我持续发展的能力和国际竞争力。发展深海技术产业,建立开放的深海技术研发、深海资源勘察公共服务平台,以平台为轴心辐射国内外深海科研单位。做到国内深海技术研发各单位之间的优势互补,重视深海技术研发部门之间的科研成果衔接和拓展,从而推动深海技术的不断向前可持续发展。

3.2 深海技术对国民经济发展及人民生活的可持续发展

人类生活随着资源的日渐匮乏,合理地开发和利用深海资源已是必由之路。我国沿海省市陆地面积占全国总面积的13.4%,却承载着40.2%相对富裕的人口,创造出占全国62%的国民生产总值,根本原因得益于富饶的海洋资源宝库。

我国对于浅海资源的开发和利用技术已经相对较为成熟,而对于深海的探索才刚刚起步,所以,大力发展深海技术,有效和合理地开发深海资源,把我国建成海洋经济技术强国、缓解我国在发展中所面临的人口、资源和环境方面日益严重的压力,对我国实现社会经济的可持续发展,把我国建设成社会主义现代化强国,具有重要的意义和不可替代的作用。我国建成海洋经济强国的关键在于用高新技术改造海洋传统产业,通过深海技术的发展来带动整个海洋事业的发展。

4 我国深海技术发展的几点建议

(1)国家应高度重视深海技术研发工作。面对深海技术领域人才缺乏和设备落后等不利现状,应该加大投入、加强领导、加强协调搞会战,像重视航天事业一样狠抓深海技术工作,要有强有力的政策保障和财力支持。

(2)21世纪是海洋世纪,同时也是尊重人才重视人才的世纪。应该大力引进深海技术领域的国外高级人才,加强深海技术创新团队的建设。紧跟国际深海技术的发展潮流,同时要具备自主创新能力,建设一批产、学、研相结合的研究基地,从而保障我国深海技术可持续发展。

(3)在大力支持和发展深海潜水机器人的基础上,整合国内资源,形成国家竞争优势,提高我国参与国际竞争的整体实力,以国家已批复建设的国家深海基地管理中心为公共服务平台,服务于深海潜水器的维修、维护和保障工作,形成深海潜水器的集中研究力量,从而使得科研力量辐射全国乃至全世界。以“蛟龙”号潜水器为特色,以大项目带动相关技术的发展,攻克深海技术难关,提升我国在海洋科技开发与成果转化、海洋生态环境保护和资源开发与可持续发展等方面的能力。

(4)借“十一五”海洋领域所取得的成绩和发展势头,在“十二五”开局的前几年,国家应进一步加大对深海技术研究领域的投资力度,掀起国内深海技术领域研究更高的热潮。

(5)加强国际合作和交流,特别对于深海载人潜水器等高精尖设备的研发及业务化运行,更应该积极吸收国外的先进技术和经验。着重加强国内深海技术科研院所的交流,做到优势互补、群策群力,为我国深海事业的进一步发展而共同努力。

[1] 宋瑞祥.21世纪资源环境科学面临的挑战[J].中国人口·资源与环境,2001,11(1):3-7.

[2] 顾瑞珍,俞菁.2010中国可持续发展战略报告[R].北京:中国科学院,2010.

[3] 武卫政.大力发展深海高新技术:访国家海洋局局长孙志辉[N].人民日报,2006-01-26.

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[5] 刘淮.国外深海技术发展研究(一)[J].船艇,2006(10):6-18.

[6] 刘淮.国外深海技术发展研究(二)[J].船艇,2006(11),18-23.

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