深海矿产资源勘探开发产业创新发展短板与对策

黄 博，王 健，李友训，姜 勇，代仁海

(青岛国家海洋科学研究中心，山东 青岛 266071)

1 开发深海矿产资源意义

全球深海矿产资源是重要战略性资源，深海矿产资源开发是解决人口、环境、资源等问题，推动可持续发展的必然选择。未来，全球资源需求仍将处于较高水平，深海矿产资源是缓解矿产资源需求矛盾、促进可持续发展、谋求国家战略优势和保障国家权益的物质基础，深海矿产资源勘探与开发技术是综合国力、科技水平以及研究重大科学问题的制高点。目前，深海矿物资源开发国际争夺竞争加剧，科技创新已成为各国加速开展海洋矿产资源商业化开发的最大驱动力。

1.1 深海矿产资源是缓解矿产资源需求矛盾、促进可持续发展的物质基础

据中国地质科学院全球矿产资源研究所预测，2035年全球能源消费仍以化石能源为主体，其中锂和钴的消费需求将是2018年的7.2倍和2.3倍。随着我国新型工业化、城镇化发展对资源需求的进一步旺盛，未来资源生产和消费面临重要变革，资源供需分离将推动构建资源新发展格局。战略性矿产因其独特的材料性能，成为新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军工等领域必不可少的原材料，但其在自然界分布不均、储量相对较少、陆地资源面临枯竭，还存在价格大幅波动造成的原材料供给风险、环境影响风险和供给限制脆弱性风险，将目光由陆地转向海洋乃至深海，加快深海矿产资源的勘探和开发，已成为必然发展选择。

1.2 深海矿物资源开发国际争夺竞争加剧

多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳、深海稀土等深海矿产资源是重要的战略资源，位于海底的资源量每年还以一定速度增长，开发利用潜力巨大[1]。全球开发者通过向国际海底管理局申请矿区进行资源开发，目前我国在国际海底区域拥有5块矿区，仅多金属结核资源就高达18亿t，所含的锰、镍和钴可满足我国当前使用量44 a、20 a和58 a的需求，成为未来我国战略资源重要来源保障。随着深海矿产资源开发技术和深海采矿装备可行性逐渐明朗，国际海底管理局于2017年公布了《“区域”内矿产资源开发规章草案》，提出“确保承包者有法可依地从勘探转向开采”[2]，诸多发达国家、发展中大国和大型跨国矿业公司在深海矿产资源开发领域的行动明显提速快进，未来数十年深海产业开发竞争急速加剧[1]。

1.3 深海是谋求国家战略优势和保障国家权益的重要领域

深海是谋求国家战略优势的重要领域，对其勘探和开发的研究已上升到发达国家的国家战略层面。对深海矿产资源研究参与深度、研究程度不足使我国的观点和立场难以形成较大影响力，在构建国际海洋秩序和深海勘探矿区开发规则中面临适应西方要求的挑战。我国已将深海列为关系国家未来发展的战略高地，深海采矿重大专项规划以研发勘探与开采技术装备体系，形成深海矿产资源开发的国家技术标准并上升为国际标准，实现深海矿产资源未来商业化开采为总体目标，这些重大规划和计划的实施有助于加快提升深海高技术及关键装备水平，保障国际海底矿区资源的勘探和开发利用，维护国家在国际海底的权益，提高在关键海域的制海权和综合能力。

2 深海矿产资源开发技术和装备需求

尽管深海矿产资源储量巨大、品位高，但受地形复杂、高压、无光等极端环境影响，同时还要考虑洋流、海浪等复杂海洋环境条件，开采难度极大，深海采矿的特殊环境也使得陆地成熟采矿技术和装备无法直接应用于大部分深海矿产资源的开采。目前全球对深海矿产资源均未进入商业开采，但随着耐高压测绘声纳的商业化，深海水下采矿机器人[3]、载人潜水器等大深度水下载体逐渐涌现，满足了资源勘探开发对高精度海底地形地貌的需求。此外，水下通讯、动力等技术的发展为深海矿产资源开发提供了大量可以利用和借鉴的通用技术和装备，使得深海矿产资源开发可行性不断提高。

深海矿产资源开发技术按照科技活动的类型包括基础研究、应用研究、试验发展、科技服务和试验发展应用几大阶段，不同发展阶段对技术和装备的需求不同，如图1所示。

图1 深海矿产资源开发技术与装备Fig.1 Development technology and equipment of deep-sea mineral resources

2.1 前期勘探阶段

基础研究、应用研究、试验发展、科技服务阶段关键技术主要集中为关键矿产资源调查与评价技术，包括深海关键(金属)矿产资源成矿机理、深海关键矿产资源调查、深海关键(金属)矿产资源综合评价、深海矿产资源探矿区选划和试开采、滨海砂矿分布规模和成矿作用，此外，还有取样技术和分析技术等。关键装备主要集中为海底调查装备与设备，包括大洋科学钻探船、深海潜水器、地质地球物理调查设备(多功能深海拖曳探测系统、水面智能探测系统深海可视、可移动探测系统、高分辨光纤地震垂直缆海洋多要素监测系统、新型海洋重力仪及海底重力仪、新型高精度海洋磁力仪、海洋电法与电磁法探测技术等)。

2.2 开采阶段

目前深海采矿主要以热液口的海底块状硫化物、海底平原的多金属结核以及海山的富钴结壳为主[4]，深海多金属结核和深海多金属硫化物采矿技术方案和试验系统已经过半工业性或海底原位测试试验的成功验证[5]，但商业开采系统的发展还面临着许多重大的挑战。从技术上来看，开采技术分为通用技术和专用技术，通用技术如通讯和动力(大水深)等，专用技术包括深海矿产资源探矿区选划和试开采、深海矿产采集技术、输送技术(大距离管道输送、管线布放回收技术)以及开采作业技术等。从装备来看，以目前采矿主要采用的管道提升式为例，深海采矿主要分为采矿船、输送和提升系统、采矿车三大主要部分，及其搭载的声光电磁等设备。

深海矿产资源技术与装备的发展，可直接带动取样钻机、ROV/AUV、采矿、电缆和船舶等高端海洋工程装备产业以及第三产业的发展，有助于形成从事深海取样勘探、机器人、挖沟埋缆、高端海洋工程装备研发及其海底工程施工的大型国际企业，此外还可辐射带动海洋环保、电子信息、新材料、高端制造等战略性新兴产业的创新发展。

3 我国深海矿产资源开发产业化发展研究

3.1 我国深海矿产资源开发发展现状

3.1.1 深海领域加强平台和技术布局

深海矿产资源开发产业是未来产业，未来谁先掌握技术，谁就先开发深海矿产资源，甚至是他国的专属经济区。目前美、日等国已具有深水5 000 m商业开采的技术储备，将在3～5年内实现商业开采，我国刚刚完成1 300 m深海采矿实验[6]，与发达国家还有一定距离。全国各省纷纷出台超常规、高强度的措施，加强平台和技术布局，抢占技术制高点。湖南省拥有全国唯一国家级平台“深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室”，在深海探矿、采矿专用技术领域处于全球领先水平；江苏省瞄准深海技术科学领域，建设深海技术科学太湖实验室，重点关注深海前沿领域；广东省的南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)专门支撑天然气水合物产业化发展；深圳市将深海矿产产业列入产业发展规划，每年安排专项支持[7];山东省具有深层资源勘探和开发技术优势，其三山岛金矿是全球首座安全高效开采海底金属资源的矿山，开采深度已经突破千米。

3.1.2 科技创新引领关键装备与技术取得重大进展

深海矿产一般位于4 000 m水深以上，其形成机理和分布规律、探测勘探与开发技术与装备、深海潜水器及其配套技术设备是开展深海科学研究、资源开发的重要支撑[5]，我国为加强深海矿产资源开发利用技术，于2016年设立国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项，重点围绕全海深潜水器研制、深海能源、矿产资源勘探开发共性关键技术开展研究。该专项自实施以来，共拨经费22.39亿元，实施了101个项目，重点突破了“蛟龙”“潜龙一号”“奋斗号”等全海深重大深海装备的研制，具备了7 000 m级潜水器作业应用能力。此外，我国深海动力、深海通讯等通用技术以及深海矿产采集、输送等专用技术也在不断发展，大力推进了我国海底矿产资源勘探及试开采进程。

3.1.3 新技术应用与发展助推深海矿产资源开发能力

随着“深地、深海、深空、深蓝”创新驱动工程的深化实施，围绕高精度、大深度、低成本和高效，基于超算及大数据的地球系统模拟技术、跨圈层、跨相态、多尺度、长时序耦合机制研究，正在成为研究和解决深海矿产资源开发与工程问题的先进工具。面向海底矿产资源开发，覆盖了勘探、开采、加工、应用等整个产业链，可以延伸出虚拟海底技术产业、海底大数据产业、海底采矿装备产业、海底采矿产业、海底精准勘探产业、海底打捞救援装备产业、海底环保装备产业、海底探险装备与旅游产业等10余个新兴产业，形成千亿级产业集群。北京市、湖南省、海南省、广东省加速海洋智能终端、大数据、云计算等新一代业态融合，催生海洋资源开发和利用的商业化，率先抢占市场先机，形成了水下机器人、深海爬行机器人等主导产品；广东省以深圳市金航深海矿产开发集团有限公司为龙头，打造了完整的深海矿产开发产业链条，计划2024年实现深海多金属结核的商业化开采。

3.2 产业化存在的问题——以山东省为例

产业培育和发展过程基于勘探、评估、规划、开采等阶段的科技创新工作，目前，深海矿产资源开发，随着深度增大，常规勘探技术的应用受到限制，深层资源的勘探技术、灾害监测与防控技术、远程通信控制技术等方面都面临进一步的提升[8]。从勘探、评估、规划等前端科技服务业来看，开展大陆边缘海底地貌、海底构造、洋底动力学、海底成矿-成藏-成灾作用和海底资源环境调查-采样-监测-模拟技术等系列研究，应对深海、深地资源开采时可能面对的挑战工作迫在眉睫。从产业应用到产业培育阶段，深海矿产资源开采相关的技术装备和创新资源配置模式都需要进一步思考和统筹协调。通过开展创新链支撑产业链研究，分析海洋矿产资源开发科技创新资源分布、科技创新活动以及产业发展特点及趋势，我国深海矿产资源开发产业存在以下瓶颈制约问题。

3.2.1 区域发展不平衡

从产业链整体来看，前端依赖于科技创新资源的集聚，后端重视技术和装备的集聚，但目前区域发展不平衡，省份之间科技创新、产业发展等差距较大，在一定程度上形成对科技创新项目、平台、人才的南北竞争态势。一是创新资源存在同质化。各地纷纷上马深海研究项目，加大力量引进顶尖科学家，建设大科学装置，构建观测网。山东省创建全国唯一海洋国家实验室，江苏省、广东省以国家实验室为建设目标，分别启动了深海技术科学太湖实验室和南方海洋科学与工程广东省实验室建设；广东省、山东省建立了海洋科考船等大科学装置、南方海底观测网和“透明海洋”等海底观测网。二是思想重视程度不高。从深海科技创新资源来看，基础研究优势主要集中在山东省，据调研，山东省具有45%的全国重点研究单位，分别是上海市、广东省和浙江省的2倍、2倍和4倍；顶尖科学家占全国的52%，分别是上海市、广东省和浙江省的3.25倍、2.50倍和4.70倍；研究学科包括60%的研究方向，远超上海市、广东省和浙江省的18%、11%和11%；在海洋领域获取国家重点研发计划项目数最多，经费数额最多，均占全国四分之一，但近年来上海市、广东省、江苏省等地通过不断加大科技支持力度，加快创建科技创新平台，缩小了与山东省基础力量的差距。上海市依托同济大学海洋地质国家重点实验室，广泛参与IODP等大型国际研究计划，形成我国海洋调查基础数据资料数据优势；广州海洋地质调查局2020年定位由海洋调查更改为科研和调查，和山东省的中国地质调查局青岛海洋地质研究所形成南北竞争格局，山东省依托“大院大所”的创新资源优势不断弱化，其获取的国家重点研发计划“深海关键技术与装备”立项数量已被上海市超过，经费总量也被江苏省、北京市、上海市等超越。

3.2.2 产业培育重视不足

深海矿产资源开发产业目前处于生命周期的萌芽阶段，构建产业发展顶层设计、加快营造发展环境和培育市场需求，加快提高发展质量是产业培育的重要路径。目前，从产业发展来看，北方地区支撑产业链的科技供给能力不足，制约了相关产业和企业的发展，南方地区产业供给能力显著优于北方地区。有些地区对产业培育重视不足，科技支撑产业的下游经费配套不足，以山东省为例，据调研，“十二五”以来山东省获得了1.6亿元深海矿产资源国家级项目经费，但瞄准产业发展、市场需求的省级配套经费不足千万，省级产业发展规划中，对海洋矿产资源产业科技发展布局不足，面向下游的勘探、开采技术工艺储备不足，从事相关领域的大型企业不多，在潜水器、水下航行器、探测勘探技术与装备等领域的参与度较低，矿产资源勘探-装备-开采-冶炼加工-市场产业链条并未形成。深圳市将深海矿产产业列入产业发展规划，每年安排专项支持[7]，成为国内有望最早实现商业化开采目标的地区。

3.2.3 核心技术对外依赖严重

目前深海矿产资源开发领先技术主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区，国内深海矿产资源开发调查和开采技术对外依赖严重，与国际先进水平技术差距较大。一是从海洋研究的特点来看，海洋环境具有独特性，从陆地模式到海洋模式在技术领域往往是推翻重来，海洋技术成果往往具有局限性(用户有限)、独有性(批量小、品种多)等特有属性，决定海洋技术的研发需要常年积累[9]。二是高新技术产品存在短板，依赖进口。深海矿产资源勘探开发是一个复杂的系统工程，技术密集程度高，涉及领域广，需解决严苛海洋环境下的勘探、开采、智能控制、材料、选冶、环境恢复等关键技术问题，更依赖各类高精尖技术的高度集成，但我国关键零部件的精度和可靠性与国外产品相比仍有差距，大部分水下关键元器件、水下传感器、专用材料研究存在短板[10]。如山东省高端技术与产品对外依赖严重，95%以上的企业依赖国外技术。三是新成果对外转化难、新技术开发上市难、新产品应用推广难。我国许多研发出的可以国产替代或部分替代的技术产品或未开展系统联合海试、无应用公共平台，或未形成系列化、标准化，国产产品使用率、装船率低，使产品无法得到认证、验证和应用，大部分国产产品和国外相比，存在精度不高和稳定性差等普遍问题。

4 发展对策

4.1 建构学科耦合和多圈层意识

深海矿产资源开发需要多学科交叉协同的基础研究和相关其他子领域技术支撑，包括多学科交叉基础研究、水下元器件、新型耐高压耐腐蚀高强度材料、水下新型装备(机器人、混输泵、破碎机、集矿机、给料机、中继站、光电复合缆等)、高性能船舶与水面平台、海上大规模供电技术、水下通讯技术、水下综合导航与定位技术、物联网技术、基于人工智能的控制技术、高效精准勘探技术、绿色选冶技术、环境调查与评价技术。亟待发挥多学科优势，建构多学科和多圈层意识，建立学科与跨学科协同发展的培养新机制，培养高素质的跨学科复合型人才。加强物联网、大数据、人工智能的融合应用以及海洋地质学与环境科学、物理、化学、工程学、信息学的耦合，针对海洋资源开发技术含量高、投资大、风险大的特点，以地球探测技术和空间数据分析处理技术为支撑，发展地球信息科学，实现先进技术引领和多学科交叉融合。

4.2 研判产业技术着力点，推动形成产业竞争优势

以大项目驱动联合攻关和重大创新，掌握深海矿产勘探开发技术，在深海矿产资源白热化竞争中争取战略主动。加强顶层设计，选取重点关键技术进行科技攻关，瞄准深海矿产资源开发领域关键技术需求，合理布局优势力量，重点对深海矿产资源精准勘探技术和环境监测保护技术方面的核心技术与装备进行攻关研发，抢占资源开发技术制高点。针对深海矿产资源精细勘探、绿色开采、安全开发等环节中存在的技术瓶颈，重点突破数字矿区、商业采矿系统设计、模块化支持平台、海上安装与维护、环境监测与生态修复等关键技术，全面提升深海矿产资源成矿机制与分布规律认知水平，构建世界领先的开发利用技术与装备体系，实现深海矿产资源开发领域技术赢家的突破，构筑向深海“要资源、拓空间、筑安全”的全方位深海开发能力。

4.3 盘活资金投入、加强政策支持

从深海矿产资源开发顶层设计上关注各环节技术需求和发展趋势，积极引导企业力量进入，整合利用人力资源和船舶设备，交叉定位，各有侧重。根据深海产业发展需要，在财税、配套建设等方面予以优惠政策，有序引导企业参与，鼓励非国有资金等其他来源资金投入，形成多元化投入格局。积极推进首台套政策，培育和发展深海装备产业，引领海洋科研单位与相关企业向深海矿产开发、深海环境治理领域发展，培育深海采矿、深海装备产业新动能，加快产业新旧动能转换进程，助力海洋经济高质量发展。

4.4 创新发展促合作共享

加快推动海上公共实验场建设，为发展海洋高新技术和装备创造条件，加快深海探测技术研发中心、战略性矿产资源能源模灾害拟平台、沉积物岩芯扫描平台等平台建设。创建共享机制，出台基础性、战略性科研平台和大型科研仪器开放共享管理办法并推动落地实施；重点引进海洋资源、能源开发工程、地球系统模拟分析等领域高端人才，不断完善壮大探测、勘探、开采等专业人才队伍。