《自然科学基础》第二十三章

海洋技术简史日新月异的海洋技术01海洋技术的历史与发展人类利用海洋已有几千年的历史。17世纪20年代至20世纪50年代，一些沿海国家开始开采海底煤矿、海滨砂矿和海洋石油。1957年海洋研究科学委员会（SCOR）和1960年政府间海洋学委员会（IOC）的成立，促进了海洋科学的迅速发展。美国核潜艇“鹦鹉螺”号1950年从冰下穿越北极，美国的潜水器“迪里雅斯特”号1960年曾深潜到10916m的海洋深处，这表明海洋的任何部分都能被人类所征服。但是，1960年美国潜艇“蝎子”号和1963年“脱粒机”号失事，全体乘员丧生，又从反面证明海洋环境仍然是难以掌握的。事实上，从技术的角度来说，人类在深海海底上行走并不比在月球上漫步容易。1．在海底行走并不比在月球上漫步容易

20世纪60年代以来，海洋科学中所有的重大进展都与新的观测仪器、研究手段和方法的研制成功，以及广泛而密切的国际合作有关。同时，随着科学技术的进步，人类对海洋资源及其环境的认识有了进一步的提高，海洋工程技术也有了很大发展，海洋开发进入到新的发展阶段。2．海洋观测与开发推动海洋技术发展

海洋科学技术也称海洋工程，是一门以综合高效开发海洋资源为目的高技术，其内容主要包括以下五个方面。（一）海洋科学技术1．海洋观测（监测）技术2．海洋油气勘探开发技术3．海水综合利用技术4．深海技术5．海洋农牧化技术海洋开发技术是海洋技术的一个分支，是人类进行海洋开发，实现海洋实际价值所采取的手段的总称，它是海洋开发吸收和消化各种现代科学技术、通用技术，使之适应海洋这个特殊的环境而形成的。（二）海洋开发技术

海洋开发技术主要包括海洋资源开发技术（包括海洋生物资源捕捞和养殖技术，海水中各种有用物质的提取技术，海底矿物资源的开采和波浪、潮汐、温差等海洋能的利用技术）、海洋空间开发技术（包括实现高效益海洋运输，建造海上石油平台、机场、人工岛，铺设海底电缆、输油气管道，建造海底仓库、基地等）和海洋服务技术（包括进行海底作业和考察的潜水服务，预报海浪、海温、潮汐、风暴潮和为航船选择最佳航线的海洋预报技术，防止污染的海洋环境保护技术）三个方面。海洋蕴藏着丰富的资源海洋资源的开发利用02海洋资源占地球表面积71%的海洋是地球上最大的沉积场所，是水生生物最广阔的生活场所，也是个巨大的资源宝库。海洋资源主要是指与海水本身有直接关系的物质、能量和海洋底部的矿藏，如海水中的矿物、海洋生物、海底矿藏、海水运动所产生的能量和储藏在海水中的热量，以及随着旅游业的发展而出现的海洋旅游资源等。1．矿物资源天然气和石油是迄今人类开发利用的最主要的海洋矿物资源。近些年人们所发现的“可燃冰”（见图23-1）其实是水与天然气相互作用形成的晶体物质，在学术上称为“天然气水合物”，是天然气（甲烷类）被包进水分子中，在海底低温与压力下形成的透明结晶。据测定，1m³固体“可燃冰”可释放出约200m³甲烷气体。海底还存在着大量的锰结核。海淀砂矿中含有大量的贵金属和宝石砂矿，如金、金刚石等。海水中含有大量的盐类，例如人们所吃的食盐，海水中的含量约为4亿亿吨。图23-1可燃冰2．生物资源据统计，海洋中大约有20万种生物，其中鱼类大约16000种，占全世界鱼类的50%以上，但海洋鱼类产量占全球鱼类产量的80%以上，是海洋生物资源的主要组成部分。海洋生物中数量最多的是植物，主要是一些藻类，如海带、硅藻、甲藻、金藻、蓝藻等。海洋不仅为人类提供食品、能源和矿产，而且是人类未来的大药房。3．动力资源潮汐是海水的一种周期性的涨落现象。“潮”指白天海水上涨，“汐”指晚上海水上涨，不过通常我们往往将潮和汐都叫做“潮”。这种壮观的现象其实蕴藏着巨大的能量，潮能为每秒10亿千焦耳，年潮能总量约为87000亿千瓦时。海水温差也可以发电，海洋表层水温可达20～30℃，但深层海水的温度则接近零摄氏度。除此之外，潮流、海流、海水浓度差、海水压力差都蕴藏着巨大的能量。4．其他资源随着旅游业的发展，滨海沙滩、海岛、海水中的奇形怪状的鱼类和各种各样的动植物、缤纷多彩的海底世界等已成为重要的海洋旅游资源。海洋作为地球上最大的水体，是重要的航道。由于水产养殖的发展，沿岸浅水区和滩涂已成为重要的水产养殖资源。海湾是建设港口的重要资源。（一）海洋石油开发1．海洋石油开发的主要特点（1）海洋地球物理勘探技术和装备与陆地截然不同。（2）海上钻勘探井和开发井必须采用专门的钻井平台（船）、大功率的海洋钻机，以及船体升沉平移运动而保持船位与钻压的专用钻井水下与水面设备。（3）海上采油与集输都需要适应海洋的特殊环境，采用与陆地差异很大的高技术性能的采油、集输工艺和装备。（4）海上钻井、采油作业者的作业器材和生活物资都需要用船舶和直升机运送，受气象影响大、费用高。（一）海洋石油开发2．海洋石油开发的主要内容

海洋石油开发的内容主要包括开发钻井、完井采油、油气分离处理和油气集输。开发钻井：是继勘探钻井之后，为开采石油所进行的钻井，即钻生产井。钻生产井的方式有浮式钻井和固定平台钻井两种。完井采油：完井是指对已经完钻的生产井中，以一定的作业程序和下入井内作业器具，通过射穿油气层，到安装好采油树，控制油气按照人们的意志能从井中开采油气的过程；采油是指对完井的各井，有计划地开启采油树阀门、控制各井产出原油，或以机械提升、化学注入、注水、气举等方式，从井内采出石油。（一）海洋石油开发2．海洋石油开发的主要内容

海洋石油开发的内容主要包括开发钻井、完井采油、油气分离处理和油气集输。

油气分离处理：是指将从井内采出的混合流体，通过物理、机械等方法分离为达到向外输出标准的原油、天然气和达到排放入海标准的水的整个过程。

油气集输：是指为将各采油平台分离处理后的原油和天然气加以集中、储存和通过穿梭油轮和海底油气管线等方式，将原油、天然气输送至油气终端。（二）其他海洋资源开发1．海底煤矿开采目前，开采海底煤矿的国家有日本、英国、加拿大、土耳其、智利、中国等。日本海底煤矿的开采量占其全国煤总产量的50%左右；智利海底煤矿的开采量达全国煤总产量的84%；英国位于诺森伯兰离岸14km海底的煤矿是世界最大的海底煤矿。2．海滨砂矿资源开发目前世界80%的锆石、90%的金红石都是由澳大利亚海滨砂矿开采的。世界90%的锡石来自海滨砂矿，泰国是最大的产锡国。美国在阿拉斯加的好消息湾开采的铂砂矿占美国铂总产量的90%以上。中国开采的海滨砂矿有钛铁矿、锆石、独居石等。3．锰结核资源开发

19世纪70年代，英国深海调查船“挑战”号在环球海洋考察中，首先发现了深海洋底的锰结核。20世纪80年代，美国、日本、德国等国的矿产企业组成跨国公司，取得日产锰结核300～500t的开采成绩。总之，锰结核的开采、冶炼在技术上已不成问题，一旦经济上有利，便可形成新的产业，进入规模生产。（二）其他海洋资源开发4．海水化学资源开发海水化学资源开发主要包括：海水制盐及卤水综合利用（回收镁化合物等），海水制镁和制溴，从海水中提取铀、钾、碘，海水淡化等。此外，随着科学技术的进步，海洋天然有机物质的研究和利用也得到了迅速发展。食盐是提取量最大的海水化学物质，世界年产量已超过5000万吨，中国的产量一直居首位。5．海洋生物资源开发海洋生物资源开发包括捕捞和养殖两个方面。海洋捕捞排名居前的国家有秘鲁、日本、美国、印度尼西亚、俄罗斯、中国等；海水养殖的品种有海带、紫菜、贻贝、鲍鱼、牡蛎、蛤、海参、对虾、梭鱼、尼罗罗非鱼等。（三）海水淡化

地球水储量的97%为海水和苦咸水，这些水是很丰富的。

目前，全世界有120多个国家和地区采用海水或苦咸水淡化技术取得淡水。据统计，海水淡化系统与生产量以每年10%以上的速度在增加。

现在，海水淡化作为一项高新技术产业，正在得到各国的重视，美国华尔街的专业人士甚至预言，继IT产业和生物产业之后，海水淡化将成为炙手可热的新兴成长产业，由此可见海水淡化的重要性及其美妙的前景。（四）海洋空间的利用

人类为了满足生产和生活的需要，把海上、海中和海底空间当作交通、生产、军事活动、居住和娱乐的场所。人类对海洋空间的利用主要表现在以下几个方面。1．海上运输海上运输简称海运，是使用船舶通过海上航道运送货物和旅客的一种运输方式。海上运输包括远洋运输、近海运输和沿海运输。它利用天然海洋通道，船舶吨位一般不受限制，具有运量大、成本低等优点。（四）海洋空间的利用2．海底隧道海底隧道是为了解决横跨海峡、海湾之间的交通，而又不妨碍船舶航运的条件下，建造在海底之下供人员及车辆通行的海洋建筑物，如图23-2所示。图23-2海底隧道（四）海洋空间的利用3．海上工厂海上工厂是利用海域便利条件而设置的生产设施，如图23-3所示。所谓“海域便利条件”是指就地利用廉价的海洋能、广阔的海域空间、丰富的海洋生物资源等。海上工厂多为浮动式，可以转移。图23-3海上工厂（四）海洋空间的利用4．海上城市和海上机场海上城市是指在海上建立的具有新城市机能、新交通体系的大型居住区，可容纳几万人。目前，世界上已建成的最大海上城市是日本神户人工岛，如图23-4所示。图23-4日本神户人工岛科学考察船海洋卫星03海洋探测技术潜水器科学考察船担负着调查海洋、研究海洋的任务，是开发和利用海洋资源的先锋。其调查的主要内容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源（石油、天然气、矿藏等）、海水的化学成分、生物资源（水产品等）、海底地震等。大型海洋调查船可对全球海洋进行综合调查，其稳性和适航性能好，能够经受住大风大浪的袭击。船上的机电设备、导航设备、通信系统等十分先进，燃料及各种生活用品的装载量大，能够长时间坚持在海上进行调查研究。卫星技术在海洋开发中的应用十分广泛。海洋卫星在几百千米高空能对海洋里的许多现象进行观测，这是因为它有一些特殊的本领。如果用海洋卫星测量海浪的高度，就要用主动遥感技术。雷达成像系统是一种主动微波遥感，可以用来测量海浪的高度，这是利用海面“粗糙度”不同的原理来进行的。

潜水器既是深