第十一講--海洋技術(shù)

1、公共選修課,現(xiàn)代物理概論,第十一講海洋技術(shù),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(guān)系的物質(zhì)和能量。形成和存在于海水或海洋中的有關(guān)自然資源，包括海水中生存的生物，溶解于海水中的化學(xué)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(yùn)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(lè)的一切空間和設(shè)施。可以毫不夸張地說(shuō)，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(méi)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(jì)，世界石油極限儲(chǔ)量1萬(wàn)億噸，可采儲(chǔ)量3000億噸，其中海洋石油1350億噸；世界天然氣儲(chǔ)量255～280億立方米，海洋儲(chǔ)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(guó)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(guó)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(shí)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(jī)外殼用的鈮和反應(yīng)堆及微電路用的鉭的獨(dú)居石；含有核潛艇和核反應(yīng)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(guó)近海

4、海域也分布有金、鋯英石、鈦鐵礦、獨(dú)居石、鉻尖晶石等經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高的砂礦。,多金屬結(jié)核和富鈷錳結(jié)殼。多金屬結(jié)核含有錳、鐵、鎳、鈷、銅等幾十種元素。大洋多金屬結(jié)核，人們通常又把它稱為錳結(jié)核、錳團(tuán)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(jié)核總量約3萬(wàn)多億噸，其中太平洋底最多，約1.7

5、萬(wàn)億噸，含錳4000億噸、鎳164億噸、銅88億噸、鈷58億噸。這些儲(chǔ)量相當(dāng)于目前陸地錳儲(chǔ)量的400多倍，鎳儲(chǔ)量的1000多倍，銅儲(chǔ)量的88倍，鈷儲(chǔ)量的5000多倍。按現(xiàn)在世界年消耗量計(jì)，這些礦產(chǎn)夠人類消費(fèi)數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)年。更重要的是這種卵狀礦物還在不斷生長(zhǎng)。太平洋底的錳結(jié)核以每年1000萬(wàn)噸左右的速度生長(zhǎng)，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?gòu)难蟮讎姵觯隼浜ＫY(jié)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(jié)核礦，被稱為“海底金庫(kù)”。分布水深一般為800至2400米。已發(fā)現(xiàn)30多處礦床。僅美國(guó)在加拉帕戈斯裂谷儲(chǔ)量就達(dá)2500萬(wàn)噸，開(kāi)采價(jià)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(dòng)物蛋白的最大源泉,來(lái)自海洋的動(dòng)物蛋白占人類所需動(dòng)物蛋白

7、的20%左右。僅位于近海水域自然生長(zhǎng)的海藻，年產(chǎn)量已相當(dāng)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(jiàn)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(yú)蝦，真是人類未來(lái)的糧倉(cāng)。,2.日新月異的海洋技術(shù) （1）五大海洋技術(shù)海洋科學(xué)技術(shù)也叫海洋工程，是一門(mén)以綜合高效開(kāi)發(fā)海洋資源為目的的高技術(shù)，它的內(nèi)容主要包括以下五個(gè)方

8、面：①海洋農(nóng)牧化科學(xué)技術(shù)。海洋開(kāi)發(fā)在解決“吃”的問(wèn)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(shù)；病害防治技術(shù)；海水養(yǎng)殖和放牧技術(shù)；養(yǎng)殖海域生態(tài)優(yōu)化技術(shù)；海洋生物深加工技術(shù)；海洋醫(yī)藥技術(shù)等。②海水綜合利用技術(shù)。海洋中的水資源是無(wú)限的，越來(lái)越多的利用海水是世界性的大趨勢(shì)。海水綜合利用科學(xué)技術(shù)包括海水直接利用、海水淡化、海水化學(xué)元素提取利用三個(gè)方面的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。,③海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)。海底油氣資源勘探開(kāi)發(fā)是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)

9、，高技術(shù)含量很高，成為海洋科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)重要門(mén)類。我國(guó)經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)和大陸架海域約為300多萬(wàn)平方公里，傳統(tǒng)海域內(nèi)沉積盆地面積約為143.2萬(wàn)平方公里，近海大陸架中有10個(gè)沉積盆地，合計(jì)面積約為92.2萬(wàn)平方公里，盆地里含有豐富的油氣資源。海洋油氣資源開(kāi)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(xué)技術(shù)。沿海國(guó)家的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架之外的國(guó)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(jié)核、鈷結(jié)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(kāi)發(fā)利用的地理區(qū)域.,⑤海洋觀測(cè)（監(jiān)測(cè)）技術(shù)。海洋觀測(cè)是一項(xiàng)全球合作任務(wù)，需要多學(xué)科和多種技術(shù)手段的配合，也有多元化的應(yīng)用領(lǐng)域。其中主要包括：氣候監(jiān)測(cè)評(píng)估和預(yù)報(bào)；海洋環(huán)境觀測(cè)評(píng)估及預(yù)測(cè)；海洋生物資源評(píng)估；沿海環(huán)境、海洋災(zāi)害評(píng)估和預(yù)報(bào)；海洋學(xué)及其應(yīng)用；海洋浮標(biāo)；海洋電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；海洋遙感技術(shù)；海洋繪圖技術(shù)；水聲學(xué)科學(xué)技術(shù)等。,（2）日新月異的海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)海洋開(kāi)

11、發(fā)技術(shù)是海洋技術(shù)的一個(gè)分支，是人類進(jìn)行海洋開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)海洋實(shí)際價(jià)值所采取的手段的總稱，它是海洋開(kāi)發(fā)吸收和消化各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、通用技術(shù)，使之適應(yīng)海洋這個(gè)特殊的環(huán)境而形成的。它主要包括海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù)(含海洋生物資源捕撈和養(yǎng)殖技術(shù)，海水中各種有用物質(zhì)的提取技術(shù)，海底礦物資源的開(kāi)采和波浪、潮汐、溫差等海洋能的利用技術(shù))、海洋空間開(kāi)發(fā)技術(shù)(含實(shí)現(xiàn)高效益海洋運(yùn)輸，建造海上石油平臺(tái)、機(jī)場(chǎng)、人工島，鋪設(shè)海底電纜、輸油氣管道，建造海底倉(cāng)庫(kù)、基地等)和海

12、洋服務(wù)技術(shù)(含進(jìn)行海底作業(yè)和考察的潛水服務(wù)，預(yù)報(bào)海浪、海溫、潮汐、風(fēng)暴潮和為航船選擇最佳航線的海洋預(yù)報(bào)技術(shù)，防止污染的海洋環(huán)境保護(hù)技術(shù))三個(gè)方面。海洋開(kāi)發(fā)，需要獲取大范圍、精確的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行海底勘探、取樣、水下施工等。要完成上述任務(wù)，需要一系列的海洋開(kāi)發(fā)支撐技術(shù)，包括深海探測(cè)、深潛、海洋遙感、海洋導(dǎo)航等。,天津新港船務(wù)海洋石油三用工作船,海水淡化技術(shù)。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(xué)家探測(cè)查明，世界各大洋底部也擁有極為豐富的淡水資源，其蘊(yùn)藏量約占海水總量的20％。這為人類解決淡水危機(jī)展示了光明的前景。深海探測(cè)與深潛技術(shù)。深海是指深度超過(guò)6000米的海域。世界上深度超過(guò)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(dá)11000米，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最深的海域。1960年，美國(guó)的“迪里雅斯特”號(hào)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(guó)利用自制的無(wú)纜水下深潛機(jī)器人，進(jìn)行深潛６000米深度的科學(xué)試驗(yàn)并取得成功，這標(biāo)志著中國(guó)的深海開(kāi)發(fā)已步入正軌。,大洋鉆探技術(shù)。洋底是地殼最薄的部位，且有硅鋁缺失現(xiàn)象，沒(méi)有花崗巖那樣堅(jiān)硬的巖層。因此，洋底地殼是人類將認(rèn)識(shí)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(gè)洋殼6000米的剖面結(jié)構(gòu)，從而獲取地殼、地幔之間物質(zhì)交換的第一手資料，美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)從1966年開(kāi)始籌備“深海鉆探”計(jì)劃，即“大洋

15、鉆探”的前身。1968年8月，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號(hào)深海鉆探船，第一次駛進(jìn)墨西哥灣，開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)15年的深海鉆探，該船所收集的達(dá)百萬(wàn)卷的資料已成為地球科學(xué)的寶庫(kù)，其研究成果證實(shí)了海底擴(kuò)張，建立了“板塊學(xué)說(shuō)”，為地球科學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。1985年1月，美、英、法、德等國(guó)拉開(kāi)了“大洋鉆探”的序幕?！按笱筱@探”計(jì)劃主要從兩方面展開(kāi)研究：一是研究地殼與地幔的成分、結(jié)構(gòu)和動(dòng)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(shù)。海洋遙感技術(shù)，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(shù)。海洋聲學(xué)遙感技術(shù)是探測(cè)海洋的一種十分有效的手段。利用聲學(xué)遙感技術(shù)，可以探測(cè)海底地形、進(jìn)行海洋動(dòng)力現(xiàn)象的觀測(cè)、進(jìn)行海底地層剖面探測(cè)，以及為潛水器提供導(dǎo)航、避碰、海底輪廓跟蹤的信息。海洋遙感技術(shù)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段。衛(wèi)星遙感技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為人類提供了從空間觀測(cè)大范圍海洋現(xiàn)象的可能性。目前，美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)已發(fā)射了10多顆專用海洋衛(wèi)星，為海洋遙感技術(shù)提供

17、了堅(jiān)實(shí)的支撐平臺(tái)。中國(guó)的海洋遙感技術(shù)始于70年代，開(kāi)始是借助國(guó)外氣象衛(wèi)星和陸地衛(wèi)星的資料，開(kāi)展空間海洋的應(yīng)用研究，解決中國(guó)海洋開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究等實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，中國(guó)積極研究發(fā)展本國(guó)的衛(wèi)星遙感技術(shù)。1990年9月，中國(guó)發(fā)射“風(fēng)云－1乙”衛(wèi)星，該衛(wèi)星上有兩個(gè)波段為專用的海洋窗口，用于海洋遙感探測(cè)。,海洋導(dǎo)航技術(shù)。海洋導(dǎo)航技術(shù)，主要包括無(wú)線電導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、水聲定位和綜合導(dǎo)航等。無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括近程高精度定位系統(tǒng)和中遠(yuǎn)程導(dǎo)

18、航定位系統(tǒng)。在衛(wèi)星導(dǎo)航方面，中國(guó)注重發(fā)展陸地、海洋衛(wèi)星導(dǎo)航定位，已成為世界上衛(wèi)星定位點(diǎn)最多的國(guó)家之一。,3.海洋技術(shù)的未來(lái),海洋是地球上生命的發(fā)源地，對(duì)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(lái)的希望所在。20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，海洋不僅是全球的大通道，也是國(guó)家發(fā)展對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、科學(xué)技術(shù)和文化藝術(shù)交流的前沿；海洋不僅是瀕海國(guó)家戰(zhàn)略防御的屏障，也是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要支撐條件。世界上不少科學(xué)家預(yù)言：2

19、1世紀(jì)將是海洋世紀(jì)，也是人類全面開(kāi)發(fā)利用海洋的時(shí)代。(1)．征服了深海的觀測(cè)設(shè)備---未來(lái)的海洋探測(cè)技術(shù) 未來(lái)的海洋探測(cè)技術(shù)主要有：在海洋表面進(jìn)行調(diào)查的科學(xué)考察船、自動(dòng)浮標(biāo)站。在水下進(jìn)行探測(cè)的各種潛水器。在空中進(jìn)行監(jiān)測(cè)的飛機(jī)和衛(wèi)星。,海洋科學(xué)考察船的任務(wù)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(chǎng)、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(xué)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(fēng)大浪的襲擊。船上的機(jī)電設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、通訊系統(tǒng)等先進(jìn)。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(wù)是探測(cè)海洋深處的地貌環(huán)境，物資源和進(jìn)行水下工程作業(yè)。潛水器分為載人潛水器和無(wú)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(shè)備。,海洋衛(wèi)星就是專門(mén)為觀測(cè)海洋、研究海洋，以及海洋環(huán)境調(diào)查和資源開(kāi)發(fā)利用而設(shè)計(jì)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(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星和海洋綜合探測(cè)衛(wèi)星。這些衛(wèi)星一般搭載有光學(xué)遙感器（如水色掃描儀、主動(dòng)區(qū)微波遙感器、散射計(jì)、SAR等）和被動(dòng)式微波遙感器等多種海洋遙感有效載荷，可提供全天時(shí)，全天候海況實(shí)時(shí)資料。為海洋資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)服務(wù)。,(2到海底去居住---未來(lái)的海洋開(kāi)發(fā) 未來(lái)的海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù)主要涉及海洋石油和天然氣開(kāi)發(fā)技術(shù)，海洋生物資源開(kāi)發(fā)技術(shù)，海水資源開(kāi)發(fā)包括海水淡化技術(shù)，海洋能源的開(kāi)發(fā)技術(shù)。 隨著科技的

22、進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，一個(gè)開(kāi)發(fā)海洋的新時(shí)代己經(jīng)來(lái)臨。在開(kāi)發(fā)海洋中，人們將更有效地從海洋中取得更多財(cái)富。越來(lái)越多的國(guó)家正在籌劃建立或已經(jīng)建立了海底田園和海底牧場(chǎng)，人們正在從過(guò)去單純的海洋捕撈時(shí)代，逐漸過(guò)渡到未來(lái)的“耕海”時(shí)代。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們?cè)诤５滋飯@和海底牧場(chǎng)中，將比在陸地上的農(nóng)牧場(chǎng)中工作得更出色、更有效，因?yàn)橥娣e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(yīng)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(huì)從目前的2000萬(wàn)噸躍增到5000萬(wàn)噸，大量的海藻、海草等也將由水下聯(lián)合收割機(jī)來(lái)割取，然后由鋼索吊裝到船上。,想象中未來(lái)的海底居住城市,在不久的將來(lái)，人們世世代代捕魚(yú)用的漁網(wǎng)將被強(qiáng)大的吸水裝置替代，利用電場(chǎng)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(yú)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(yú)一起吸進(jìn)船艙中。到那時(shí)，連同海底牧場(chǎng)向人類提供的各種魚(yú)蝦類一起，人們從海洋中所

24、獲得的海味將達(dá)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(duì)石油、天然氣等資源需求量的不斷增長(zhǎng)和人們對(duì)這些資源的大量開(kāi)采，陸地上的這些資源將日益枯竭。使人們勢(shì)必將目光轉(zhuǎn)向海洋，或者另找新能源。目前，己有 100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了大陸架和深海石油的勘探與開(kāi)采，己發(fā)現(xiàn)了500多個(gè)油氣田，一個(gè)為期十年的世界海洋邊緣鉆探計(jì)劃的實(shí)施已近尾聲。探索和開(kāi)采海洋石油，并將把生產(chǎn)基地建在海底。對(duì)于海洋石油開(kāi)采后的運(yùn)輸問(wèn)題，人們將用

25、大型潛水艇。設(shè)想把巨型塑料筒沉入海底，里面裝上10萬(wàn)噸原油，由潛艇拖帶航行。也有人設(shè)計(jì)用飛船裝運(yùn)。,在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們還將建造“海底城市”，這己不是幻想，而是現(xiàn)實(shí)。目前，日本已為阿拉伯國(guó)家建造了一座海上游動(dòng)的“小城市”。它大多用鋼鐵做成，中心是一座6層大廈。設(shè)有室內(nèi)小花園、電影院，水電全部自己供應(yīng)。它可以滿足海上采油工作人員文化娛樂(lè)生活的需要。這個(gè)浮動(dòng)“城市”是靠8根高大柱子托起的，把它們收起來(lái)，就可以當(dāng)船行駛。將來(lái)許多海上工廠，將在原

26、料生產(chǎn)地或市場(chǎng)附近的海域興建起來(lái)，為海上城市居民提供物質(zhì)需要。據(jù)報(bào)道，日本一群工程師、建筑師。計(jì)劃在離東京120千米的海域上，建設(shè)世界首座“海洋城”，以解決未來(lái)人類住的問(wèn)題。海洋城將建于200米深的海底，有4層樓高的鋼骨平臺(tái)，離海面約70米，面積23平方千米、全城由1萬(wàn)條堅(jiān)固直柱頂住，直柱附近設(shè)有感應(yīng)裝置?？蓽y(cè)臺(tái)風(fēng)、海嘯及暗流，自我調(diào)整力度以抵抗這些外來(lái)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(gè)商業(yè)中心，400個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)，8個(gè)高