第十一講--海洋技術

1、公共選修課,現(xiàn)代物理概論,第十一講海洋技術,1. 取之不盡、用之不竭的海洋資源海洋資源指的是與海水水體及海底、海面本身有著直接關系的物質(zhì)和能量。形成和存在于海水或海洋中的有關自然資源，包括海水中生存的生物，溶解于海水中的化學元素，海水波浪、潮汐及海流所產(chǎn)生的能量、貯存的熱量，濱海、大陸架及深海海底所蘊藏的礦產(chǎn)資源，以及海水所形成的壓力差、濃度差等。廣義的還包括海洋提供給人們生產(chǎn)、生活和娛樂的一切空間和設施?？梢院敛豢鋸埖卣f，海洋

2、中除了幾乎擁有陸地上所有的資源外，還有陸地上所沒有的一些資源。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有以下幾大類：石油、天然氣。據(jù)估計，世界石油極限儲量1萬億噸，可采儲量3000億噸，其中海洋石油1350億噸；世界天然氣儲量255～280億立方米，海洋儲量占140億立方米。,中海油春曉油氣田,煤、鐵等固體礦產(chǎn)。日本九州附近海底發(fā)現(xiàn)了世界上最大的鐵礦之一。亞洲一些國家還發(fā)現(xiàn)許多海底錫礦。已發(fā)現(xiàn)的海底固體礦產(chǎn)有20多種。我國大陸架淺海區(qū)廣泛分布有銅、煤、硫、

3、磷、石灰石等礦。 海濱砂礦。海濱砂礦是指在海濱地帶由河流、波浪、潮汐和海流作用，使重礦物碎屑聚集而形成的次生富集礦床。它既包括現(xiàn)處在海濱地帶的砂礦，也包括在地質(zhì)時期形成于海濱，后因海面上升或海岸下降而處在海面以下的砂礦。海濱沉積物中有許多貴重礦物，如：含有發(fā)射火箭用的固體燃料鈦的金紅石；含有火箭、飛機外殼用的鈮和反應堆及微電路用的鉭的獨居石；含有核潛艇和核反應堆用的耐高溫和耐腐蝕的鋯鐵礦、鋯英石；某些海區(qū)還有黃金、白金和銀等。我國近海

4、海域也分布有金、鋯英石、鈦鐵礦、獨居石、鉻尖晶石等經(jīng)濟價值極高的砂礦。,多金屬結核和富鈷錳結殼。多金屬結核含有錳、鐵、鎳、鈷、銅等幾十種元素。大洋多金屬結核，人們通常又把它稱為錳結核、錳團塊、錳礦球，或錳瘤等。它的主要成分為錳和鐵的氧化物和氫氧化物，含銅、鎳、鈷等多種金屬元素，廣泛分布于太平洋、大西洋和印度洋水深 4至6千米的海底，一般呈球狀或橢圓球狀或塊狀，直徑1至20厘米。世界洋底的錳結核總量約3萬多億噸，其中太平洋底最多，約1.7

5、萬億噸，含錳4000億噸、鎳164億噸、銅88億噸、鈷58億噸。這些儲量相當于目前陸地錳儲量的400多倍，鎳儲量的1000多倍，銅儲量的88倍，鈷儲量的5000多倍。按現(xiàn)在世界年消耗量計，這些礦產(chǎn)夠人類消費數(shù)千甚至數(shù)萬年。更重要的是這種卵狀礦物還在不斷生長。太平洋底的錳結核以每年1000萬噸左右的速度生長，一年的產(chǎn)量就可供全世界用上幾年。,熱液礦藏。是一種含有大量金屬的硫化物，系海水侵入水深2000至3000米海底裂縫中，被地殼深處熱源

6、加熱后，溶解了地殼內(nèi)的多種金屬化合物，再從洋底噴出，遇冷海水而凝結生成的沉淀物。又稱“多金屬軟泥”或“熱液性金屬泥”。含有銅、鉛、鋅、錳、鐵、金、銀等多種金屬。其中金、銀等貴金屬的含量高于錳結核礦，被稱為“海底金庫”。分布水深一般為800至2400米。已發(fā)現(xiàn)30多處礦床。僅美國在加拉帕戈斯裂谷儲量就達2500萬噸，開采價值39億美元。 海洋食物。全球海洋總的漁獲量,已經(jīng)成為世界上動物蛋白的最大源泉,來自海洋的動物蛋白占人類所需動物蛋白

7、的20%左右。僅位于近海水域自然生長的海藻，年產(chǎn)量已相當于目前世界年產(chǎn)小麥總量的15倍以上，如果把這些藻類加工成食品，就能為人們提供充足的蛋白質(zhì)、多種維生素以及人體所需的礦物質(zhì)，海洋中還有豐富的肉眼看不見的浮游生物，加工成食品，足可滿足300億人的需要，海洋中還有眾多的魚蝦，真是人類未來的糧倉。,2.日新月異的海洋技術 （1）五大海洋技術海洋科學技術也叫海洋工程，是一門以綜合高效開發(fā)海洋資源為目的的高技術，它的內(nèi)容主要包括以下五個方

8、面：①海洋農(nóng)牧化科學技術。海洋開發(fā)在解決“吃”的問題方面可以發(fā)揮重大作用。其中包括：優(yōu)良品種選育、培養(yǎng)技術；病害防治技術；海水養(yǎng)殖和放牧技術；養(yǎng)殖海域生態(tài)優(yōu)化技術；海洋生物深加工技術；海洋醫(yī)藥技術等。②海水綜合利用技術。海洋中的水資源是無限的，越來越多的利用海水是世界性的大趨勢。海水綜合利用科學技術包括海水直接利用、海水淡化、海水化學元素提取利用三個方面的科學技術問題。,③海洋油氣勘探開發(fā)技術。海底油氣資源勘探開發(fā)是技術密集型產(chǎn)業(yè)

9、，高技術含量很高，成為海洋科學技術中的一個重要門類。我國經(jīng)濟專屬區(qū)和大陸架海域約為300多萬平方公里，傳統(tǒng)海域內(nèi)沉積盆地面積約為143.2萬平方公里，近海大陸架中有10個沉積盆地，合計面積約為92.2萬平方公里，盆地里含有豐富的油氣資源。海洋油氣資源開發(fā)已經(jīng)成為海洋產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)。 ④深?？茖W技術。沿海國家的專屬經(jīng)濟區(qū)和大陸架之外的國際海底區(qū)域，總面積2.517億平方公里，是人類共同繼承遺產(chǎn)，有豐富的多金屬結核、鈷結殼

10、、多金屬硫化物、天然氣水合物資源、深海生物基因資源。這是世界上唯一的未被充分開發(fā)利用的地理區(qū)域.,⑤海洋觀測（監(jiān)測）技術。海洋觀測是一項全球合作任務，需要多學科和多種技術手段的配合，也有多元化的應用領域。其中主要包括：氣候監(jiān)測評估和預報；海洋環(huán)境觀測評估及預測；海洋生物資源評估；沿海環(huán)境、海洋災害評估和預報；海洋學及其應用；海洋浮標；海洋電子和網(wǎng)絡技術；海洋遙感技術；海洋繪圖技術；水聲學科學技術等。,（2）日新月異的海洋開發(fā)技術海洋開

11、發(fā)技術是海洋技術的一個分支，是人類進行海洋開發(fā)，實現(xiàn)海洋實際價值所采取的手段的總稱，它是海洋開發(fā)吸收和消化各種現(xiàn)代科學技術、通用技術，使之適應海洋這個特殊的環(huán)境而形成的。它主要包括海洋資源開發(fā)技術(含海洋生物資源捕撈和養(yǎng)殖技術，海水中各種有用物質(zhì)的提取技術，海底礦物資源的開采和波浪、潮汐、溫差等海洋能的利用技術)、海洋空間開發(fā)技術(含實現(xiàn)高效益海洋運輸，建造海上石油平臺、機場、人工島，鋪設海底電纜、輸油氣管道，建造海底倉庫、基地等)和海

12、洋服務技術(含進行海底作業(yè)和考察的潛水服務，預報海浪、海溫、潮汐、風暴潮和為航船選擇最佳航線的海洋預報技術，防止污染的海洋環(huán)境保護技術)三個方面。海洋開發(fā)，需要獲取大范圍、精確的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，需要進行海底勘探、取樣、水下施工等。要完成上述任務，需要一系列的海洋開發(fā)支撐技術，包括深海探測、深潛、海洋遙感、海洋導航等。,天津新港船務海洋石油三用工作船,海水淡化技術。淡水資源奇缺的中東地區(qū)，數(shù)十年前就把海水淡化作為獲取淡水資源的有效途徑。最近

13、，俄羅斯海洋學家探測查明，世界各大洋底部也擁有極為豐富的淡水資源，其蘊藏量約占海水總量的20％。這為人類解決淡水危機展示了光明的前景。深海探測與深潛技術。深海是指深度超過6000米的海域。世界上深度超過6000米的海溝有30多處，其中的20多處位于太平洋洋底，馬里亞納海溝的深度達11000米，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最深的海域。1960年，美國的“迪里雅斯特”號潛水器首次潛入世界大洋中最深的海溝――馬里亞納海溝，最大潛水深度為10916米。1

14、997年，中國利用自制的無纜水下深潛機器人，進行深潛６000米深度的科學試驗并取得成功，這標志著中國的深海開發(fā)已步入正軌。,大洋鉆探技術。洋底是地殼最薄的部位，且有硅鋁缺失現(xiàn)象，沒有花崗巖那樣堅硬的巖層。因此，洋底地殼是人類將認識的觸角伸向地幔的最佳通道，大洋鉆探是研究地球系統(tǒng)演化的最佳途徑。為了得到整個洋殼6000米的剖面結構，從而獲取地殼、地幔之間物質(zhì)交換的第一手資料，美國自然科學基金會從1966年開始籌備“深海鉆探”計劃，即“大洋

15、鉆探”的前身。1968年8月，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號深海鉆探船，第一次駛進墨西哥灣，開始了長達15年的深海鉆探，該船所收集的達百萬卷的資料已成為地球科學的寶庫，其研究成果證實了海底擴張，建立了“板塊學說”，為地球科學帶來了一場革命。1985年1月，美、英、法、德等國拉開了“大洋鉆探”的序幕?！按笱筱@探”計劃主要從兩方面展開研究：一是研究地殼與地幔的成分、結構和動態(tài)；二是研究地球環(huán)境，即水圈、冰圈、氣圈和生物圈的演化。,海洋遙感技

16、術。海洋遙感技術，主要包括以光、電等信息載體和以聲波為信息載體的兩大遙感技術。海洋聲學遙感技術是探測海洋的一種十分有效的手段。利用聲學遙感技術，可以探測海底地形、進行海洋動力現(xiàn)象的觀測、進行海底地層剖面探測，以及為潛水器提供導航、避碰、海底輪廓跟蹤的信息。海洋遙感技術是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要手段。衛(wèi)星遙感技術的突飛猛進，為人類提供了從空間觀測大范圍海洋現(xiàn)象的可能性。目前，美國、日本、俄羅斯等國已發(fā)射了10多顆專用海洋衛(wèi)星，為海洋遙感技術提供

17、了堅實的支撐平臺。中國的海洋遙感技術始于70年代，開始是借助國外氣象衛(wèi)星和陸地衛(wèi)星的資料，開展空間海洋的應用研究，解決中國海洋開發(fā)、科學研究等實際問題。同時，中國積極研究發(fā)展本國的衛(wèi)星遙感技術。1990年9月，中國發(fā)射“風云－1乙”衛(wèi)星，該衛(wèi)星上有兩個波段為專用的海洋窗口，用于海洋遙感探測。,海洋導航技術。海洋導航技術，主要包括無線電導航定位、慣性導航、衛(wèi)星導航、水聲定位和綜合導航等。無線電導航定位系統(tǒng)，包括近程高精度定位系統(tǒng)和中遠程導

18、航定位系統(tǒng)。在衛(wèi)星導航方面，中國注重發(fā)展陸地、海洋衛(wèi)星導航定位，已成為世界上衛(wèi)星定位點最多的國家之一。,3.海洋技術的未來,海洋是地球上生命的發(fā)源地，對人類的生存和發(fā)展起著重要的作用，被稱為人類生存的第二空間和人類未來的希望所在。20世紀70年代以來，人們開始認識到，海洋不僅是全球的大通道，也是國家發(fā)展對外經(jīng)濟貿(mào)易、科學技術和文化藝術交流的前沿；海洋不僅是瀕海國家戰(zhàn)略防御的屏障，也是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要支撐條件。世界上不少科學家預言：2

19、1世紀將是海洋世紀，也是人類全面開發(fā)利用海洋的時代。(1)．征服了深海的觀測設備---未來的海洋探測技術 未來的海洋探測技術主要有：在海洋表面進行調(diào)查的科學考察船、自動浮標站。在水下進行探測的各種潛水器。在空中進行監(jiān)測的飛機和衛(wèi)星。,海洋科學考察船的任務是調(diào)查海洋、研究海洋。它調(diào)查的主要內(nèi)容有海面與高空氣象、海洋水深與地貌、地球磁場、海流與潮汐、海水物理性質(zhì)與海底礦物資源(石油,天然氣,礦藏等)、海水的化學成分、生物資源(水產(chǎn)品等)

20、、海底地震等。大型海洋調(diào)查船性能要求是穩(wěn)性和適航性能好,能經(jīng)受住大風大浪的襲擊。船上的機電設備、導航設備、通訊系統(tǒng)等先進。燃料及各種生活用品的裝載量大。具有優(yōu)良的操作性能和定位性能。 潛水器的任務是探測海洋深處的地貌環(huán)境，物資源和進行水下工程作業(yè)。潛水器分為載人潛水器和無人潛水器，其性能要求比核潛艇要高得多，它是人類征服深海的重要設備。,海洋衛(wèi)星就是專門為觀測海洋、研究海洋，以及海洋環(huán)境調(diào)查和資源開發(fā)利用而設計發(fā)射的一種人造地球

21、衛(wèi)星。海洋衛(wèi)星可分為海洋水色衛(wèi)星、海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和海洋綜合探測衛(wèi)星。這些衛(wèi)星一般搭載有光學遙感器（如水色掃描儀、主動區(qū)微波遙感器、散射計、SAR等）和被動式微波遙感器等多種海洋遙感有效載荷，可提供全天時，全天候海況實時資料。為海洋資源調(diào)查與開發(fā)服務。,(2到海底去居住---未來的海洋開發(fā) 未來的海洋資源開發(fā)技術主要涉及海洋石油和天然氣開發(fā)技術，海洋生物資源開發(fā)技術，海水資源開發(fā)包括海水淡化技術，海洋能源的開發(fā)技術。 隨著科技的

22、進步和時代的發(fā)展，一個開發(fā)海洋的新時代己經(jīng)來臨。在開發(fā)海洋中，人們將更有效地從海洋中取得更多財富。越來越多的國家正在籌劃建立或已經(jīng)建立了海底田園和海底牧場，人們正在從過去單純的海洋捕撈時代，逐漸過渡到未來的“耕?！睍r代。在不遠的將來，人們在海底田園和海底牧場中，將比在陸地上的農(nóng)牧場中工作得更出色、更有效，因為同面積的單位產(chǎn)量，海洋養(yǎng)殖的產(chǎn)量要比陸地種植高出100倍。人們將大量養(yǎng)殖海藻和海草等，供應陸地上的牛、豬、羊等作飼料，從而獲得更多

23、的蛋白質(zhì)、世界海底田園的總產(chǎn)量不久將會從目前的2000萬噸躍增到5000萬噸，大量的海藻、海草等也將由水下聯(lián)合收割機來割取，然后由鋼索吊裝到船上。,想象中未來的海底居住城市,在不久的將來，人們世世代代捕魚用的漁網(wǎng)將被強大的吸水裝置替代，利用電場發(fā)出的光、一定頻率的聲音和溶于水中的特殊化合物，能夠引誘和迫使魚群集中在一起，游近船上放下的吸水管道，吸水管道連水帶魚一起吸進船艙中。到那時，連同海底牧場向人類提供的各種魚蝦類一起，人們從海洋中所

24、獲得的海味將達10億多噸，比現(xiàn)在向海洋索取到的多上十幾倍乃至幾十倍。 隨著世界對石油、天然氣等資源需求量的不斷增長和人們對這些資源的大量開采，陸地上的這些資源將日益枯竭。使人們勢必將目光轉向海洋，或者另找新能源。目前，己有 100多個國家和地區(qū)開展了大陸架和深海石油的勘探與開采，己發(fā)現(xiàn)了500多個油氣田，一個為期十年的世界海洋邊緣鉆探計劃的實施已近尾聲。探索和開采海洋石油，并將把生產(chǎn)基地建在海底。對于海洋石油開采后的運輸問題，人們將用

25、大型潛水艇。設想把巨型塑料筒沉入海底，里面裝上10萬噸原油，由潛艇拖帶航行。也有人設計用飛船裝運。,在不遠的將來，人們還將建造“海底城市”，這己不是幻想，而是現(xiàn)實。目前，日本已為阿拉伯國家建造了一座海上游動的“小城市”。它大多用鋼鐵做成，中心是一座6層大廈。設有室內(nèi)小花園、電影院，水電全部自己供應。它可以滿足海上采油工作人員文化娛樂生活的需要。這個浮動“城市”是靠8根高大柱子托起的，把它們收起來，就可以當船行駛。將來許多海上工廠，將在原

26、料生產(chǎn)地或市場附近的海域興建起來，為海上城市居民提供物質(zhì)需要。據(jù)報道，日本一群工程師、建筑師。計劃在離東京120千米的海域上，建設世界首座“海洋城”，以解決未來人類住的問題。海洋城將建于200米深的海底，有4層樓高的鋼骨平臺，離海面約70米，面積23平方千米、全城由1萬條堅固直柱頂住，直柱附近設有感應裝置。可測臺風、海嘯及暗流，自我調(diào)整力度以抵抗這些外來壓力，保持海洋城的平穩(wěn)。海洋城除了住宅區(qū)外，還有一個商業(yè)中心，400個網(wǎng)球場，8個高