深海礦產資源勘探開發產業創新發展短板與對策

黃 博，王 健，李友訓，姜 勇，代仁海

(青島國家海洋科學研究中心，山東 青島 266071)

1 開發深海礦產資源意義

全球深海礦產資源是重要戰略性資源，深海礦產資源開發是解決人口、環境、資源等問題，推動可持續發展的必然選擇。未來，全球資源需求仍將處于較高水平，深海礦產資源是緩解礦產資源需求矛盾、促進可持續發展、謀求國家戰略優勢和保障國家權益的物質基礎，深海礦產資源勘探與開發技術是綜合國力、科技水平以及研究重大科學問題的制高點。目前，深海礦物資源開發國際爭奪競爭加劇，科技創新已成為各國加速開展海洋礦產資源商業化開發的最大驅動力。

1.1 深海礦產資源是緩解礦產資源需求矛盾、促進可持續發展的物質基礎

據中國地質科學院全球礦產資源研究所預測，2035年全球能源消費仍以化石能源為主體，其中鋰和鈷的消費需求將是2018年的7.2倍和2.3倍。隨著我國新型工業化、城鎮化發展對資源需求的進一步旺盛，未來資源生產和消費面臨重要變革，資源供需分離將推動構建資源新發展格局。戰略性礦產因其獨特的材料性能，成為新材料、新能源、信息技術、航空航天、國防軍工等領域必不可少的原材料，但其在自然界分布不均、儲量相對較少、陸地資源面臨枯竭，還存在價格大幅波動造成的原材料供給風險、環境影響風險和供給限制脆弱性風險，將目光由陸地轉向海洋乃至深海，加快深海礦產資源的勘探和開發，已成為必然發展選擇。

1.2 深海礦物資源開發國際爭奪競爭加劇

多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼、深海稀土等深海礦產資源是重要的戰略資源，位于海底的資源量每年還以一定速度增長，開發利用潛力巨大[1]。全球開發者通過向國際海底管理局申請礦區進行資源開發，目前我國在國際海底區域擁有5塊礦區，僅多金屬結核資源就高達18億t，所含的錳、鎳和鈷可滿足我國當前使用量44 a、20 a和58 a的需求，成為未來我國戰略資源重要來源保障。隨著深海礦產資源開發技術和深海采礦裝備可行性逐漸明朗，國際海底管理局于2017年公布了《“區域”內礦產資源開發規章草案》，提出“確保承包者有法可依地從勘探轉向開采”[2]，諸多發達國家、發展中大國和大型跨國礦業公司在深海礦產資源開發領域的行動明顯提速快進，未來數十年深海產業開發競爭急速加劇[1]。

1.3 深海是謀求國家戰略優勢和保障國家權益的重要領域

深海是謀求國家戰略優勢的重要領域，對其勘探和開發的研究已上升到發達國家的國家戰略層面。對深海礦產資源研究參與深度、研究程度不足使我國的觀點和立場難以形成較大影響力，在構建國際海洋秩序和深海勘探礦區開發規則中面臨適應西方要求的挑戰。我國已將深海列為關系國家未來發展的戰略高地，深海采礦重大專項規劃以研發勘探與開采技術裝備體系，形成深海礦產資源開發的國家技術標準并上升為國際標準，實現深海礦產資源未來商業化開采為總體目標，這些重大規劃和計劃的實施有助于加快提升深海高技術及關鍵裝備水平，保障國際海底礦區資源的勘探和開發利用，維護國家在國際海底的權益，提高在關鍵海域的制海權和綜合能力。

2 深海礦產資源開發技術和裝備需求

盡管深海礦產資源儲量巨大、品位高，但受地形復雜、高壓、無光等極端環境影響，同時還要考慮洋流、海浪等復雜海洋環境條件，開采難度極大，深海采礦的特殊環境也使得陸地成熟采礦技術和裝備無法直接應用于大部分深海礦產資源的開采。目前全球對深海礦產資源均未進入商業開采，但隨著耐高壓測繪聲納的商業化，深海水下采礦機器人[3]、載人潛水器等大深度水下載體逐漸涌現，滿足了資源勘探開發對高精度海底地形地貌的需求。此外，水下通訊、動力等技術的發展為深海礦產資源開發提供了大量可以利用和借鑒的通用技術和裝備，使得深海礦產資源開發可行性不斷提高。

深海礦產資源開發技術按照科技活動的類型包括基礎研究、應用研究、試驗發展、科技服務和試驗發展應用幾大階段，不同發展階段對技術和裝備的需求不同，如圖1所示。

圖1 深海礦產資源開發技術與裝備Fig.1 Development technology and equipment of deep-sea mineral resources

2.1 前期勘探階段

基礎研究、應用研究、試驗發展、科技服務階段關鍵技術主要集中為關鍵礦產資源調查與評價技術，包括深海關鍵(金屬)礦產資源成礦機理、深海關鍵礦產資源調查、深海關鍵(金屬)礦產資源綜合評價、深海礦產資源探礦區選劃和試開采、濱海砂礦分布規模和成礦作用，此外，還有取樣技術和分析技術等。關鍵裝備主要集中為海底調查裝備與設備，包括大洋科學鉆探船、深海潛水器、地質地球物理調查設備(多功能深海拖曳探測系統、水面智能探測系統深海可視、可移動探測系統、高分辨光纖地震垂直纜海洋多要素監測系統、新型海洋重力儀及海底重力儀、新型高精度海洋磁力儀、海洋電法與電磁法探測技術等)。

2.2 開采階段

目前深海采礦主要以熱液口的海底塊狀硫化物、海底平原的多金屬結核以及海山的富鈷結殼為主[4]，深海多金屬結核和深海多金屬硫化物采礦技術方案和試驗系統已經過半工業性或海底原位測試試驗的成功驗證[5]，但商業開采系統的發展還面臨著許多重大的挑戰。從技術上來看，開采技術分為通用技術和專用技術，通用技術如通訊和動力(大水深)等，專用技術包括深海礦產資源探礦區選劃和試開采、深海礦產采集技術、輸送技術(大距離管道輸送、管線布放回收技術)以及開采作業技術等。從裝備來看，以目前采礦主要采用的管道提升式為例，深海采礦主要分為采礦船、輸送和提升系統、采礦車三大主要部分，及其搭載的聲光電磁等設備。

深海礦產資源技術與裝備的發展，可直接帶動取樣鉆機、ROV/AUV、采礦、電纜和船舶等高端海洋工程裝備產業以及第三產業的發展，有助于形成從事深海取樣勘探、機器人、挖溝埋纜、高端海洋工程裝備研發及其海底工程施工的大型國際企業，此外還可輻射帶動海洋環保、電子信息、新材料、高端制造等戰略性新興產業的創新發展。

3 我國深海礦產資源開發產業化發展研究

3.1 我國深海礦產資源開發發展現狀

3.1.1 深海領域加強平臺和技術布局

深海礦產資源開發產業是未來產業，未來誰先掌握技術，誰就先開發深海礦產資源，甚至是他國的專屬經濟區。目前美、日等國已具有深水5 000 m商業開采的技術儲備，將在3～5年內實現商業開采，我國剛剛完成1 300 m深海采礦實驗[6]，與發達國家還有一定距離。全國各省紛紛出臺超常規、高強度的措施，加強平臺和技術布局，搶占技術制高點。湖南省擁有全國唯一國家級平臺“深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室”，在深海探礦、采礦專用技術領域處于全球領先水平；江蘇省瞄準深海技術科學領域，建設深海技術科學太湖實驗室，重點關注深海前沿領域；廣東省的南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)專門支撐天然氣水合物產業化發展；深圳市將深海礦產產業列入產業發展規劃，每年安排專項支持[7];山東省具有深層資源勘探和開發技術優勢，其三山島金礦是全球首座安全高效開采海底金屬資源的礦山，開采深度已經突破千米。

3.1.2 科技創新引領關鍵裝備與技術取得重大進展

深海礦產一般位于4 000 m水深以上，其形成機理和分布規律、探測勘探與開發技術與裝備、深海潛水器及其配套技術設備是開展深海科學研究、資源開發的重要支撐[5]，我國為加強深海礦產資源開發利用技術，于2016年設立國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”專項，重點圍繞全海深潛水器研制、深海能源、礦產資源勘探開發共性關鍵技術開展研究。該專項自實施以來，共撥經費22.39億元，實施了101個項目，重點突破了“蛟龍”“潛龍一號”“奮斗號”等全海深重大深海裝備的研制，具備了7 000 m級潛水器作業應用能力。此外，我國深海動力、深海通訊等通用技術以及深海礦產采集、輸送等專用技術也在不斷發展，大力推進了我國海底礦產資源勘探及試開采進程。

3.1.3 新技術應用與發展助推深海礦產資源開發能力

隨著“深地、深海、深空、深藍”創新驅動工程的深化實施，圍繞高精度、大深度、低成本和高效，基于超算及大數據的地球系統模擬技術、跨圈層、跨相態、多尺度、長時序耦合機制研究，正在成為研究和解決深海礦產資源開發與工程問題的先進工具。面向海底礦產資源開發，覆蓋了勘探、開采、加工、應用等整個產業鏈，可以延伸出虛擬海底技術產業、海底大數據產業、海底采礦裝備產業、海底采礦產業、海底精準勘探產業、海底打撈救援裝備產業、海底環保裝備產業、海底探險裝備與旅游產業等10余個新興產業，形成千億級產業集群。北京市、湖南省、海南省、廣東省加速海洋智能終端、大數據、云計算等新一代業態融合，催生海洋資源開發和利用的商業化，率先搶占市場先機，形成了水下機器人、深海爬行機器人等主導產品；廣東省以深圳市金航深海礦產開發集團有限公司為龍頭，打造了完整的深海礦產開發產業鏈條，計劃2024年實現深海多金屬結核的商業化開采。

3.2 產業化存在的問題——以山東省為例

產業培育和發展過程基于勘探、評估、規劃、開采等階段的科技創新工作，目前，深海礦產資源開發，隨著深度增大，常規勘探技術的應用受到限制，深層資源的勘探技術、災害監測與防控技術、遠程通信控制技術等方面都面臨進一步的提升[8]。從勘探、評估、規劃等前端科技服務業來看，開展大陸邊緣海底地貌、海底構造、洋底動力學、海底成礦-成藏-成災作用和海底資源環境調查-采樣-監測-模擬技術等系列研究，應對深海、深地資源開采時可能面對的挑戰工作迫在眉睫。從產業應用到產業培育階段，深海礦產資源開采相關的技術裝備和創新資源配置模式都需要進一步思考和統籌協調。通過開展創新鏈支撐產業鏈研究，分析海洋礦產資源開發科技創新資源分布、科技創新活動以及產業發展特點及趨勢，我國深海礦產資源開發產業存在以下瓶頸制約問題。

3.2.1 區域發展不平衡

從產業鏈整體來看，前端依賴于科技創新資源的集聚，后端重視技術和裝備的集聚，但目前區域發展不平衡，省份之間科技創新、產業發展等差距較大，在一定程度上形成對科技創新項目、平臺、人才的南北競爭態勢。一是創新資源存在同質化。各地紛紛上馬深海研究項目，加大力量引進頂尖科學家，建設大科學裝置，構建觀測網。山東省創建全國唯一海洋國家實驗室，江蘇省、廣東省以國家實驗室為建設目標，分別啟動了深海技術科學太湖實驗室和南方海洋科學與工程廣東省實驗室建設；廣東省、山東省建立了海洋科考船等大科學裝置、南方海底觀測網和“透明海洋”等海底觀測網。二是思想重視程度不高。從深海科技創新資源來看，基礎研究優勢主要集中在山東省，據調研，山東省具有45%的全國重點研究單位，分別是上海市、廣東省和浙江省的2倍、2倍和4倍；頂尖科學家占全國的52%，分別是上海市、廣東省和浙江省的3.25倍、2.50倍和4.70倍；研究學科包括60%的研究方向，遠超上海市、廣東省和浙江省的18%、11%和11%；在海洋領域獲取國家重點研發計劃項目數最多，經費數額最多，均占全國四分之一，但近年來上海市、廣東省、江蘇省等地通過不斷加大科技支持力度，加快創建科技創新平臺，縮小了與山東省基礎力量的差距。上海市依托同濟大學海洋地質國家重點實驗室，廣泛參與IODP等大型國際研究計劃，形成我國海洋調查基礎數據資料數據優勢；廣州海洋地質調查局2020年定位由海洋調查更改為科研和調查，和山東省的中國地質調查局青島海洋地質研究所形成南北競爭格局，山東省依托“大院大所”的創新資源優勢不斷弱化，其獲取的國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”立項數量已被上海市超過，經費總量也被江蘇省、北京市、上海市等超越。

3.2.2 產業培育重視不足

深海礦產資源開發產業目前處于生命周期的萌芽階段，構建產業發展頂層設計、加快營造發展環境和培育市場需求，加快提高發展質量是產業培育的重要路徑。目前，從產業發展來看，北方地區支撐產業鏈的科技供給能力不足，制約了相關產業和企業的發展，南方地區產業供給能力顯著優于北方地區。有些地區對產業培育重視不足，科技支撐產業的下游經費配套不足，以山東省為例，據調研，“十二五”以來山東省獲得了1.6億元深海礦產資源國家級項目經費，但瞄準產業發展、市場需求的省級配套經費不足千萬，省級產業發展規劃中，對海洋礦產資源產業科技發展布局不足，面向下游的勘探、開采技術工藝儲備不足，從事相關領域的大型企業不多，在潛水器、水下航行器、探測勘探技術與裝備等領域的參與度較低，礦產資源勘探-裝備-開采-冶煉加工-市場產業鏈條并未形成。深圳市將深海礦產產業列入產業發展規劃，每年安排專項支持[7]，成為國內有望最早實現商業化開采目標的地區。

3.2.3 核心技術對外依賴嚴重

目前深海礦產資源開發領先技術主要集中在美國、歐洲、日本等國家和地區，國內深海礦產資源開發調查和開采技術對外依賴嚴重，與國際先進水平技術差距較大。一是從海洋研究的特點來看，海洋環境具有獨特性，從陸地模式到海洋模式在技術領域往往是推翻重來，海洋技術成果往往具有局限性(用戶有限)、獨有性(批量小、品種多)等特有屬性，決定海洋技術的研發需要常年積累[9]。二是高新技術產品存在短板，依賴進口。深海礦產資源勘探開發是一個復雜的系統工程，技術密集程度高，涉及領域廣，需解決嚴苛海洋環境下的勘探、開采、智能控制、材料、選冶、環境恢復等關鍵技術問題，更依賴各類高精尖技術的高度集成，但我國關鍵零部件的精度和可靠性與國外產品相比仍有差距，大部分水下關鍵元器件、水下傳感器、專用材料研究存在短板[10]。如山東省高端技術與產品對外依賴嚴重，95%以上的企業依賴國外技術。三是新成果對外轉化難、新技術開發上市難、新產品應用推廣難。我國許多研發出的可以國產替代或部分替代的技術產品或未開展系統聯合海試、無應用公共平臺，或未形成系列化、標準化，國產產品使用率、裝船率低，使產品無法得到認證、驗證和應用，大部分國產產品和國外相比，存在精度不高和穩定性差等普遍問題。

4 發展對策

4.1 建構學科耦合和多圈層意識

深海礦產資源開發需要多學科交叉協同的基礎研究和相關其他子領域技術支撐，包括多學科交叉基礎研究、水下元器件、新型耐高壓耐腐蝕高強度材料、水下新型裝備(機器人、混輸泵、破碎機、集礦機、給料機、中繼站、光電復合纜等)、高性能船舶與水面平臺、海上大規模供電技術、水下通訊技術、水下綜合導航與定位技術、物聯網技術、基于人工智能的控制技術、高效精準勘探技術、綠色選冶技術、環境調查與評價技術。亟待發揮多學科優勢，建構多學科和多圈層意識，建立學科與跨學科協同發展的培養新機制，培養高素質的跨學科復合型人才。加強物聯網、大數據、人工智能的融合應用以及海洋地質學與環境科學、物理、化學、工程學、信息學的耦合，針對海洋資源開發技術含量高、投資大、風險大的特點，以地球探測技術和空間數據分析處理技術為支撐，發展地球信息科學，實現先進技術引領和多學科交叉融合。

4.2 研判產業技術著力點，推動形成產業競爭優勢

以大項目驅動聯合攻關和重大創新，掌握深海礦產勘探開發技術，在深海礦產資源白熱化競爭中爭取戰略主動。加強頂層設計，選取重點關鍵技術進行科技攻關，瞄準深海礦產資源開發領域關鍵技術需求，合理布局優勢力量，重點對深海礦產資源精準勘探技術和環境監測保護技術方面的核心技術與裝備進行攻關研發，搶占資源開發技術制高點。針對深海礦產資源精細勘探、綠色開采、安全開發等環節中存在的技術瓶頸，重點突破數字礦區、商業采礦系統設計、模塊化支持平臺、海上安裝與維護、環境監測與生態修復等關鍵技術，全面提升深海礦產資源成礦機制與分布規律認知水平，構建世界領先的開發利用技術與裝備體系，實現深海礦產資源開發領域技術贏家的突破，構筑向深海“要資源、拓空間、筑安全”的全方位深海開發能力。

4.3 盤活資金投入、加強政策支持

從深海礦產資源開發頂層設計上關注各環節技術需求和發展趨勢，積極引導企業力量進入，整合利用人力資源和船舶設備，交叉定位，各有側重。根據深海產業發展需要，在財稅、配套建設等方面予以優惠政策，有序引導企業參與，鼓勵非國有資金等其他來源資金投入，形成多元化投入格局。積極推進首臺套政策，培育和發展深海裝備產業，引領海洋科研單位與相關企業向深海礦產開發、深海環境治理領域發展，培育深海采礦、深海裝備產業新動能，加快產業新舊動能轉換進程，助力海洋經濟高質量發展。

4.4 創新發展促合作共享

加快推動海上公共實驗場建設，為發展海洋高新技術和裝備創造條件，加快深海探測技術研發中心、戰略性礦產資源能源模災害擬平臺、沉積物巖芯掃描平臺等平臺建設。創建共享機制，出臺基礎性、戰略性科研平臺和大型科研儀器開放共享管理辦法并推動落地實施；重點引進海洋資源、能源開發工程、地球系統模擬分析等領域高端人才，不斷完善壯大探測、勘探、開采等專業人才隊伍。