全球发展态势
1.矿址表层高精度探测装备
矿址表层高精度探测是指利用声波、可见光和激光等各种装备获得矿址表面高精度的地形地貌、底质类型和海底目标等特性的过程[10]。
近年来，国外多波束声学测深系统分辨率已经达到0.3°，可实现三维波束稳定测绘效果。侧扫声呐和合成孔径声呐是最主要的海底成像设备，垂直航迹分辨率一般为2~5 cm，侧扫声呐水平波束开角可达0.07°，合成孔径声呐可获得恒定2~5 cm沿航迹分辨率。近底声学探测精度的提升也离不开配套技术发展，如导航定位技术、数据融合技术等，挪威Kongsberg公司在这方面占据领先地位。
可见光学探测相比声学系统可以获得更直观和更高分辨率的海底目标成像结果，是开展深海精细探测必不可少的手段。国外深海超高清4K摄像机已经逐渐普及应用，如美国Insite Pactific公司的MINI ZEUS 4K摄像机已在ROV、HOV等深海设备上搭载应用，为实现更高精度的视觉测量、目标识别和行为识别等创造了条件。综合应用深海可见光高清高速成像、高精度立体测量和高速蓝绿光通信等技术使水下勘探高度智能化精细化作业、海底高精度光学三维重建等成为可能。国外正在开展的下一代水下智能机器人开发是这些技术综合应用的趋势，结合最新人工智能技术的水下光学立体测量、视觉导航和可见光通信正在快速发展，如美国休斯敦公司正在开发的Aquanaut水下机器人。
目前，近海底激光三维成像探测装备技术较成熟，在海底地形测量、水下设备维护和目标探测等领域获得广泛应用（见图7－1）。现在普遍使用的532 nm波长激光在大洋海水中衰减较大，成像距离通常在20米以内，能够获得灰度三维图像，部分研制装备已经搭载于水下潜器平台开展了相关应用工作，为水下潜器提供更多有效的探测工具。
图7－1 搭载于水下潜器的激光三维成像探测
2.矿址三维勘探装备
矿址三维勘探探测是指利用声、电、磁和震等装备获得矿址海底面以下三维空间分布特性的过程。
目前深海矿产资源中主要是多金属硫化物和深海稀土为三维分布，其中又以多金属硫化物的三维勘探难度最大，关注度最高。基于深海机器人和拖曳平台的高分辨率磁法、电法和声学/地震等高精度地球物理勘探装备在矿址三维勘探中发挥了关键作用[11]。
搭载于深海拖曳平台与深海机器人的磁力仪可以捕获近海底硫化物的微弱磁异常（见图7－2），在实际矿区范围圈定中发挥了重要作用。高精度三分量近底磁法探测装备对磁性结构探测意义重大，是未来矿址三维勘探的发展趋势。2000年以来，国际上针对硫化物开展了主动源和被动源电法设备研发，俄罗斯、加拿大、德国等国家研发了各自的电法勘探系统。海面地震对小尺度海底矿床探测以深海拖曳式近底探测为主，并已获得试验性应用（见图7－3），成为近年来明确矿区地质构造和矿床结构的新型手段。近底地震装备还处于初步发展阶段，当前正朝着声源宽频化、小偏移距接收以及实际探测应用等方向发展。
图7－2 磁力仪捕获近海底磁异常
富钴结壳具有亚米级的厚度，其测量也是资源探测的关键需求。日本东京大学联合英国南安普敦大学于2009年研制了基于ROV的富钴结壳厚度原位声学探测器探头，2015年，东京工业大学进一步开展了富钴结壳专用AUV的研制，并先后在南鸟岛专属经济区海山开展了多个航次的富钴结壳厚度原位探测装置和专用AUV等高新技术装备应用试验，已基本形成了以ROV和AUV为平台，集高频声学、高清光学等为一体的富钴结壳高精度探测技术体系，实现了富钴结壳厚度快速高效探测。
图7－3 深海近底声学探测装备示意图（a）及对矿址地质结构的成像（b）
3.矿体取样装备
矿体取样是指利用电视抓斗、多管取样器、重力取样器、箱式取样器、拖网取样器、海底钻机、大洋钻探等装备获取矿产资源实物样品的过程。目前表面取样和浅部钻机装备已非常成熟，是矿体勘探的常规装备，需发展新型取样装备和大深度钻机。
在深海钻探技术方面，国外发展较早，且技术较成熟，以美国、英国和德国为代表，拥有最大工作水深4 000米、最大钻深能力280米的钻探能力，并包括光缆遥控座底式和ROV协同式两种类型。其中德国不来梅大学于2005年研制的海底深孔岩芯取样钻机MeBo已经过多型号的迭代，成为较成熟的商业产品（见图7－4）。
图7－4 MeBo200钻机
国际大洋钻探项目曾使用钻探船“格洛玛•挑战者号”（Glomar Challenger）、“乔迪斯•决心号”（JOIDES Resolution）（见图7－5），以及日本钻探船“地球号”，现在主要使用“决心号”。针对海底热液活动区进行的航次共有5个，其中1994年ODP158航次共在大西洋中脊26°N的Trans-Atlantic Geotraverse（TAG）热液区的活动硫化物丘状体上打了17个钻孔，在最深处钻取到了海底125米的岩芯样品，对这些钻孔样品的研究发现TAG丘状体在纵向上具有明显的分带性。从浅部至深部发育不同类型的矿化和蚀变岩石组合带，分别为块状黄铁矿矿石和黄铁矿角砾岩带、富硬石膏带（黄铁矿－硬石膏和黄铁矿－硬石膏－石英角砾）、黄铁矿－硅质岩角砾和硅化－绢云母化－绿泥石化围岩角砾岩带和蚀变玄武岩带，结构图如图7－6所示。
图7－5 乔迪斯•决心号
4.矿床评价原位测量装备
矿床评价是指利用声、电、磁和光等装备原位测量矿体的物理、化学和岩土力学等特性的过程。
岩石物理特性原位测量通常利用声、电、磁等物理原理制造测井仪器进行间接测量，常用的有声波测井、电阻率测井、自然电位、中子测井及自然伽马测井等，在石油勘探领域已有较成熟的产品。
矿床评价原位土力学测试装备主要包括静力触探测试装置（CPT）、动力触探测试装置、十字板剪切测试装置、深海海床孔隙水压力原位观测装置等。(https://www.daowen.com)
目前国际先进的CPT装置主要由荷兰与德国公司研制。荷兰辉固公司研制的Seacalf型海床式CPT，其作业深度为6 000米，触探深度为50米。荷兰范登堡公司研制的ROSON海床式CPT，作业水深为1 500米，贯入40米；DW ROSON深海海床CPT，作业水深为4 000米，贯入50米。荷兰Geomil公司生产的Manta－100超深水型CPT，其最大工作水深可达4 000米（见图7－7）。德国海洋环境研究中心研制生产的GOST海底CPT，采用液压动力，工作水深为4 000米，触探深度为38米。荷兰辉固公司号称世界岩土界的霸主，研发的海床式静力触探系统，近十年来几乎承接了我国80%以上的海洋静力触探工作量，如港珠澳大桥、海洋可燃冰、香港新机场勘察等。以上这些设备探测的海床沉积物深度较大，自身重量都大于5吨重，设备坐底过程对于表层沉积物扰动较大，不适合于精确探测海底软弱表层沉积物强度。
图7－6 TAG活动丘体的结构图
图7－7 荷兰Geomil公司深海CPT 设备Manta－100
海上动力触探以自由落体型动力触探为主，主要用于快速评估海底浅层沉积物强度与类型，对探测区海底表层5米以内的沉积物土力学性质进行初步判断[12]。国际上代表性动力触探装置由德国研制。德国海洋环境研究中心设计了一套DWFF－CPTU装置，设备总重为400千克，最大工作水深达到4 000米，贯入深度最大可达4.5米。德国不莱梅大学开发的无缆无外加动力贯入装置“LIRmeter”，设备重量为2吨，贯入深度为4米，工作水深可达到4 500米，如图7－8所示。
图7－8 深海动力触探装置
（a）DWFF－CPTU；（b）LIRmeter
海上原位十字板剪切试验能够测量黏土灵敏度和不排水抗剪强度等特性，深海原位孔隙水压力观测能够有效反映海底动力地质过程，主要用于测量海底低强度、高含水率软土的土力学参数。法国海洋开发研究院（Ifremer）研制了海底沉积物孔压测量探杆Piezometer，最大工作深度为6 000米，可以用于测量不同深度的沉积物孔隙水压力。西澳大学海洋基础系统中心（COFS－UWA）开发了全流动贯入试验仪，应用于深海海洋软土的原位测试和室内离心模型实验。由于测量规范的差异，国际上十字板剪切试验应用较少。
沉积物原位声学特性测量也一直受到关注，20世纪50年代美国海军电子实验室所研制的、可以插入沉积物中进行测量的原位探针是早期原位声学测量仪的代表。随着各类矿床进入试开采阶段，岩石物性的原位测量与钻井随钻的物性测量工作亟须开展技术研制与利用。
拉曼光谱是基于拉曼散射效应的分子振动光谱，反映了分子振动、转动能级的信息，可以用于分析分子结构，在物质定性与定量探测分析领域已经得到广泛应用。由于深海热液、冷泉等极端环境下的部分探测目标物会随温度、压强、氧化还原条件等外界条件的改变发生逸散、分解等物理化学变化，使得原位探测成为当今深海研究的发展趋势。拉曼光谱技术具备无须预处理样品、非接触、可同时探测多种组分等独到优势，对深海极端环境适用性较强，已逐渐应用到海洋尤其是深海原位探测领域。美国蒙特利湾海洋研究所（Monterey bay aquarium research Institute，MBARI）的科研人员在激光拉曼光谱技术的深海原位探测领域做出了开拓性的工作，研发了国际上首台深海原位激光拉曼光谱仪（deep ocean Raman in situ spectrometer，DORISS），并且将DORISS系统用于深海流体、矿物、气体水合物等目标物的原位拉曼光谱探测。法国海洋开发研究院研发了一套用于水下探测的浅海拉曼光谱探测样机并进行了性能测试；德国柏林工业大学尝试将表面增强拉曼光谱用于水下有机物污染物（PAHs）的探测，并成功研制了一套基于表面增强拉曼光谱的水下PA Hs传感器。
5.矿床长期观测装备
矿床长期观测是指利用各类装备，原位长期地对矿床的形成、演化和开采过程等物理、水文、化学和生态要素的观测。
海底金属矿床的形成、演化和开采是一个长期复杂的地质过程，受到海底构造活动、岩浆活动、水深、地形等多方面因素的影响，在地质、地球物理、水文、化学和生态等学科的测量参数上均有体现，必须发展长期综合观测系统实现对海底矿床的全方位的立体监测。水文、化学和生态的观测在后继环境章节中描述，本节仅描述地球物理部分。
海底地震仪、海底地磁仪、海底大地电磁仪、海底水听器等单体观测设备是近年来广泛使用的海底长期观测设备，能够记录矿区海底构造活动和岩浆活动引发的小微地震、地磁场变化、大地电磁场变化以及声压变化等参数，并通过精确的地球物理反演方法获取矿区海底构造信息，研究海底矿产资源的成矿和演化机制。目前，这类单体观测设备均朝着高信噪比、高时钟精度、小型化、长时工作以及组网化等趋势发展。
在实际的观测过程中，可将单体观测设备组成集成观测网，各组成部分之间通过有缆或无缆方式进行通信，并设置一个或者多个能源供给单元为整个观测网供电。这样的观测网系统能够长时间对观测目标进行监测，获得观测目标全面的时空变化特征。
图7－9 Neptune观测网布设示意
现阶段，国际上并无专门针对海底矿床的长期观测系统。这主要是因为多数海底矿床仍处于前期的勘探阶段，对长期监测的需求较低。但随着勘探及开发程度的深入，这项装备必将迎来一个大的发展。目前最具有参考价值的是美国和加拿大自1987年联合组建的Neptune观测网，这个位于东北太平洋Juan de Fuca洋脊的观测网由30~50个水下观测节点和陆地控制中心组成，节点布放深度为3 000米（见图7－9）。针对板块构造、极端生态系统和热液活动等，Neptune观测网的观测节点组装了深海摄像头，地震监测仪，海水流速、温度、营养盐传感器和海底钻机等设备，原位采集观测区域内海底物理、化学、生物等信息，并通过预先铺设的通信光纤传输至陆地控制中心。同时，有缆设备例如水下有缆机器人（ROV），也在该观测计划中用于水下观测阵列各个节点线缆的连接、布设和整体维护（见图7－10）。随着Neptune观测网计划的成功开展，一系列的长期综合观测计划陆续在全球展开，例如欧洲海底观测网计划（ESONET），日本新型实时海底监测网络计划（ARENA），美国NeMO海底观测链（NeMO）等，这些观测网计划大大提高了我们对于深海矿区的观测效率，并极大地促进了海洋工程的发展。
图7－10 Neptune 观测网无缆观测设备（a）和用于布设电缆的ROV（b）
目前，海底长期观测系统已经成为人类了解地球内部构造和全球物质能量循环的重要手段。随着海洋工程技术的日益成熟，海底长期观测系统正朝着大型化、多学科化和实时交互化趋势发展，终将成为海洋调查的常态化工具之一。
6.智能平台装备
以ROV、AUV、HOV为代表的深海潜水器是人类探索海洋、开展深海矿床资源勘探的关键智能平台装备，将人类的探秘海洋的触角延伸到数千米的海底。上述三类潜水器各具特色，可根据勘探工作阶段和任务需要选择。ROV适用于近底定点长时间精细调查，AUV适用于海底大范围区域探测，HOV给科学家带来的现实场景沉浸感无可替代。
目前全世界无人遥控潜水器超过1 000艘，是其他潜水器总和的10倍。其中一半以上用于海洋油气工程，多数商业化潜水器潜深在3 000米以浅，超过5 000米的ROV不超过10套。欧洲、美国、日本等发达国家处于领先地位，形成了较好的商业化发展模式，并形成了以欧洲、美国少数几家ROV品牌生产商为代表，超过400多家能提供ROV整机、零部件和服务的厂商和研究机构的市场格局。
俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器最多的国家。目前全世界的HOV总数为200多艘，可潜入6 000米以深的仅有9艘，分别为美国的“阿尔文”号，日本的“深海6500”号，法国的“鹦鹉螺”号，俄罗斯“和平号Ⅰ/Ⅱ”“领事”号和“罗斯”号，中国的“蛟龙”号和“奋斗者”号。
各国都在研究自己的AUV用于军用或民用，欧美发达国家处于领先地位。初步估计全世界目前已有十几种不同类型的AUV，研制AUV的国家有美国、法国、挪威、德国、加拿大、日本、中国、韩国等。随着信息和控制技术的发展，智能化和多AUV协同作业是AUV未来重要的发展趋势。
