CN112033383A - 深海多金属结核开采工程地质环境监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于深海海洋环境监测技术领域，涉及一种深海多金属结核开采工程地质环境监测***及方法。包括海底沉积物监测平台、海底潜标、海面控制中心和声学通讯装置四部分，所述的海底沉积物监测平台和海底潜标均由所述的声学通讯装置与海面控制中心连接。对海底表层沉积物厚度、性质，底层水动力、性质的原位监测，分析扰动沉积物再悬浮运移分布规律，根据长期再悬浮沉积物影响范围的叠加，找寻影响最大的点作为最佳的监测位置，实现高效的监测。从沉积物的变化，结合底层水流速及方向，得到再悬浮沉积物运移分布规律，在此基础上结合矿区底栖生物生存环境特征，对深海多金属结核开采工程地质环境影响进行综合的评价。

Description

深海多金属结核开采工程地质环境监测***及方法

技术领域

本发明属于深海海洋环境监测技术领域，涉及一种深海多金属结核开采工程地质环境监测***及方法。

背景技术

随着陆地资源的消耗，人们将目光逐渐转向了海洋。地球70%的面积被海洋所覆盖，而海洋中有15%的面积覆盖有多金属结核。多金属结核赋存于水深超过4500米的海底沉积物的表面。开采这种深海多金属结核时需利用采矿车将结核从沉积物表面挖出，并通过管道运输至海面采矿船，这一集矿过程中产生的沉积物扰动将会增加水体中固体悬浮颗粒的浓度从而对海洋环境产生直接或间接的影响，影响生物活性、改变水体化学成分，因此采矿区工程地质环境的监测尤为重要。

目前多金属结核开采环境监测重点多聚焦在海洋生物活性及海水化学性质的监测上，而针对多金属结核开采过程中工程地质环境影响的原位监测尚未出现，且目前的环境监测多集中于矿区环境基线的调查，针对于开采过程中工程地质环境变化的监测还未进行。此外，在集矿过程中，采矿车一直处于运动状态，扰动源位置不断发生变化，产生的沉积物扰动随之叠加，传统的潜标观测无法精确的测量到底层水流速及方向，也无法清楚的捕捉到再悬浮沉积物的运移分布规律，如何高效的捕捉到开采过程中再悬浮沉积物的动态变化，是目前有待解决的问题。因此，一种深海多金属结核开采工程地质环境原位监测***急需建立，通过沉积物观测平台与海底潜标的有机结合，监测海底底层水流速及性质、海表沉积物厚度变化及性质，从而掌握采矿过程中再悬浮沉积物的分布运移规律，采矿区工程地质环境变化特征，从而对深海多金属结核开采工程地质环境影响程度进行综合评价。

发明内容

本发明针对传统针对多金属结核开采过程中工程地质环境影响的原位监测技术空白问题提出一种新型的监测***及方法。

为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：

一种深海多金属结核开采工程地质环境影响监测***，所述的海底沉积物监测平台主要包括海底表层沉积物监测、近海底水流速度监测及近海底水体中固体悬浮颗粒浓度监测；所述的海底潜标主要进行温度、盐度、Ph值、浊度、水体流速的原位监测；所述的通讯装置主要为沉积物观测平台及海底潜标提供通讯；所述的海面控制中心一方面操控沉积物监测平台及海底潜标中个设备的使用，另一方面分析各监测设备监测的数据，得出再悬浮沉积物的运移分布规律，进而可以对监测站位做出适时的调整。

所述海底表层沉积物监测平台集成自然电位探杆、声学多普勒流速剖面仪、浊度计和水下摄像机，且布放在每个采矿区块采矿车集矿路径的顶点和采矿车集矿路径上第一次拐弯处拐角的顶点。所述的自然电位探杆高1.8米通过抱箍固定于回收架的右侧，底部有10厘米高金属底锥，顶部有20厘米高采集舱，所述采集舱顶部有吊环下部有2厘米高的凹槽，中间为电极间距2厘米的杆体，电极均匀分布有多个，所述的电极为固态环形参比电极（与申请号2019108263949中的固态环形参比电极材料相同）。

所述的海底潜标，其监测设备主要包括向下监测的声学多普勒流速剖面仪，由底到上每隔10米一个的温度及盐度传感器，所述各监测设备均有自动存储功能且可通过顶部声学通讯装置实现数据传输，所述的海底潜标应布放在所述的沉积物监测平台附近背景水流速度的下游50米内，具体距离可根据现场情况及监测结果校正调整。第一次布放海底潜标时，若背景水流方向与采矿车集矿路径方向相同，则应将海底潜标布放在垂直于集矿路径距离1沉积物监测200米左右的位置；若背景水流方向与采矿车路径相反，则应将海底潜标布放在集矿路径相反方向及沉积物监测平台后方与集矿路径成135度夹角距离300米处。实际布放距离可根据现场情况及监测结果校正调整。其监测内容主要包括温度、盐度、浊度、水体流速及水流方向的原位监测。

所述的声学通讯装置由甲板单元、中继浮标、水下声学换能器组成，所述的中继浮标漂浮在海面通过太阳能电池板供电为声学远距离通讯提供中转服务，所述的水下声学换能器通过浮球漂浮在距海床100米高的地方，下部通过线缆连接至所述的沉积物监测平台和所述的海底潜标。

所述的深海多金属结核开采工程地质环境影响监测***包括如下四部分海底沉积物监测平台、海底潜标、海面控制中心和声学通讯装置；所述的海底沉积物监测平台和海底潜标均由所述的声学通讯装置与海面控制中心连接，为了减少水体中固体悬浮颗粒对声学通信效果的影响，所述的海底观测平台及海底潜标顶部均有浮球带着声学换能器漂浮在水中，所述的声学换能器距离海床底部距离不少于100米；所述的声学通讯装置为保证远距离通讯效果增加中继浮标作为声学通讯中转站。且由于采矿车的移动和采矿场址的变化，通讯线缆式的传输方式容易受到扰动而不适合海底采矿的使用，声学通讯又受到底部再悬浮沉积物的影响而降低通讯效果，因此本发明***中利用声学中继浮标的方式进行通讯，且海底设备顶部利用缆绳使声学换能器悬浮于水体中距底100米，从而穿越再悬浮沉积物声学信号屏蔽区，实现通讯功能。

通过监测深海多金属结核开采过程中海底表层沉积物重沉积厚度、沉积物性质、底层水性质、底层水动力等参数的变化，分析采矿过程中矿区工程地质环境影响，其主要步骤为：

1） 通过原位监测获取多金属结核开采过程中不同采矿车集矿路径上重沉积沉积物厚度及表层沉积物性质（孔隙度、氧化还原电位）随采矿时间的变化；

2）通过原位监测获取矿区底层水流速大小及方向，不同采矿车集矿路径上水体中固体悬浮颗粒浓度、水体盐度、温度随采矿时间的变化；

3）根据监测数据，结合矿区海床附近周期性大洋环流的流动方向，分析不同采矿车采矿路径上再悬浮沉积物运移分布特征及规律。 从而调整深海多金属结核开采工程地质环境影响监测***中各监测部分的布放位置，以期达到更高效的监测效果。

4）基于监测结果，结合矿区底栖生物生存环境特征，对深海多金属结核开采工程地质环境影响进行综合评价。

海底沉积物监测平台主要包括海底表层沉积物厚度及性质的监测、近海底水流速度及方向的监测、近海底水体中固体悬浮颗粒浓度监测；所述的海底潜标主要进行温度、盐度、Ph值、浊度、水体流速及方向的原位监测；所述的通讯装置主要为沉积物观测平台及海底潜标提供通讯；所述的海面控制中心一方面操控沉积物监测平台及海底潜标中各设备的使用，另一方面分析各监测设备监测的数据，得出再悬浮沉积物的运移分布规律，进而可以对监测站位做出适时的调整。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.本发明针对深海多金属结核开采过程中的工程地质环境变化，通过对海底表层沉积物厚度、性质，底层水动力、性质进行原位监测，分析结核开采过程中扰动沉积物再悬浮运移分布规律。根据长期再悬浮沉积物影响范围的叠加，找寻再悬浮沉积物影响最大的点作为最佳的监测位置，实现高效的监测。

2.利用声学中继浮标的方式进行通讯，且海底设备顶部利用缆绳使声学换能器悬浮于水体中距底100米，从而穿越再悬浮沉积物声学信号屏蔽区，实现通讯功能。

3.从监测多金属结核开采产生环境影响最直接的沉积物出发，结合底层水流速及方向，得到再悬浮沉积物运移分布规律，在此基础上结合矿区底栖生物生存环境特征，进而实现对深海多金属结核开采工程地质环境影响进行综合的评价。

附图说明

图1为本发明实施例所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***立体示意图；

图2为本发明实施例所述的深海多金属结核开采过程中采矿车集矿路径上海水中固体悬浮颗粒浓度三维分布特征示意图；

图3为本发明实施例所述深海多金属结核开采过程中采矿车运移路径与背景流速的不同角度的沉积物再悬浮运移分布特征俯视图；

图4为本发明所述的深海多金属结核开采工程地质环境影响监测方法技术路线图。

各附图标记为：1海底沉积物监测平台，101声学换能器，2海底浅标，201声学换能器，3声学通讯装置，301声学通讯中继浮标，4采矿船，401海面控制中心，5海底采矿车，6输送软管，7矿物中转场，8管道提升***，9背景水流方向，10沉积物再悬浮分布特征。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1

如图1中所示为深海多金属结核开采工程地质环境影响原位监测***示意图，用以监测深海多金属结核开采过程中产生的工程地质环境影响的动态变化，主要涉及沉积物及底层水体的变化。

本实施例中以深海多金属结核管道提升式的开采方式为例，首先对矿区内的多金属结核划分采矿单元，再通过采矿车5收集各采矿单元的多金属结核，通过采矿车5后方的软管6将多金属结核输送到矿物中转场7，最后由管道提升***8将多金属结核提升至采矿船4上。在此过程中产生工程地质环境影响的主要途径为采矿车5在采矿单元中集矿的过程，将对海底表层的沉积物产生扰动，从而增加水体中固体悬浮颗粒的浓度，在自重及水动力的作用下固体悬浮颗粒扩散并产生沉降，这样产生重沉积的沉积物工程地质性质发生改变。因此，本发明中将采矿区沉积物性质的变化将作为重要的监测对象。

针对目标监测对象，将深海多金属结核开采工程地质环境影响监测***划分如下四部分：海底沉积物监测平台1、海底潜标2、海面控制中心401和声学通讯装置3；其中海底沉积物监测平台1和海底潜标2均通过声学通讯装置3与海面控制中心4连接，且为了减少水体中固体悬浮颗粒对声学通信效果的影响，海底观测平台1及海底潜标2顶部均有浮球带着声学换能器101和201漂浮在水中，声学换能器101和201通过电缆与底部的海底沉积物监测平台1和海底潜标2连接，且线缆长度不低于100米即声学换能器距离海床底部距离不少于100米。声学通讯装置3为保证远距离通讯效果增加中继浮标301作为声学通讯中转站。中继浮标漂浮301顶部为太阳能电池板，中部为浮球，底部通过线缆连接到声学换能器上，太阳能电池板及浮球均漂浮在海面上，通过太阳能电池板为水中声学换能器供电从而为声学远距离通讯提供中转服务。同时可以通过拖动中继浮标的位置调整中转信号的强弱。

进一步的，海底表层沉积物监测平台1集成自然电位探杆、声学多普勒流速剖面仪、浊度计和水下摄像机，且第一次布放时应布放在采矿区块采矿车5集矿路径的顶点和采矿车5集矿路径上第一次拐弯处的拐点。其监测内容主要包括海底表层沉积物监测、近海底水流速度监测及近海底水体中固体悬浮颗粒浓度监测。

进一步的，海底潜标2其监测设备主要包括向下监测的声学多普勒流速剖面仪，由底到上每隔10米一个的温度及盐度传感器，共9组传感器；各监测设备均有自动存储功能且可通过顶部声学通讯装置实现数据传输。此外第一次布放海底潜标时，若背景水流方向与采矿车5集矿路径方向相同，则应将海底潜标2布放在垂直于集矿路径距离1沉积物监测200米左右的位置；若背景水流方向与5采矿车路径相反，则应将海底潜标2布放在集矿路径相反方向及沉积物监测平台后方与集矿路径成135度夹角距离300米处。实际布放距离可根据现场情况及监测结果校正调整。其监测内容主要包括温度、盐度、浊度、水体流速及水流方向的原位监测。

进一步的，声学通讯装置3主要由3部分组成：采矿船上的甲板单元、中继浮标和水下连接监测装置的声学换能器。其主要功能为沉积物观测平台及海底潜标收发命令提供数据传输。水下连接监测装置的声学换能器顶部通过浮球拉着下部通过通信铠装线缆连接至监测装置，为了降低固体悬浮颗粒对通信效果的影响，这里的声学换能器距离海底的距离约为100米。海面设置有中继浮标，中继浮标下通过通信铠装缆连接声学换能器，可调整换能器的下放深度和中继浮标的位置以达到更好的通信效果。

进一步的，海面控制中心4一方面操控沉积物监测平台及海底潜标中个设备的使用，另一方面分析各监测设备监测的数据，得出再悬浮沉积物的运移分布规律，进而可以对监测站位做出适时的调整。

对于沉积物再悬浮的运移分布规律如图2所示，当采矿车在海底进行集矿作业时，扰动沉积物产生的固体悬浮颗粒在海水中的三维分布特征，大颗粒的沉积物被扰动后先上升后快速下降，小颗粒的沉积物扰动后形成雾状层较长时间的漂浮在海面附近，此时我们所需重点监测的对象是在不同的位置沉降下来的大颗粒的厚度和漂浮在海水中小颗粒的浓度及分布特征。为了降低监测成本，减少监测点的布置但又能达到较好的监测效果，这里结合图2进行说明。当采矿车5在矿区内进行集矿作业时，在海洋底层水流背景水流方向与采矿车运动方向相在同一条直线上时，由于背景水流速度较小基本在10 cm/s 以下，采矿车运移速度基本在1 m/s 以上，因此采矿车扰动沉积物再悬浮会在水体中产生较为规则的固体悬浮颗粒浓度分布状态如图2中最上面的图所示。此时通过海底沉积物监测平台1和海底潜标2的监测结果，即可得到沉积物厚度的分布，沉积物监测平台处的海水流速及浊度剖面和海底潜标处的海水流速及浊度剖面，从而获取两条剖面数据，再结合模型中所示的浓度分布曲线，即可对模型中数据进行校正从而的到扰动后沉积物再悬浮的分布规律。

此外，当背景水流方向与采矿车5集矿方向不在同一条直线上时，则采矿扰动沉积物在水体中的浓度分布会出现图2中第二和第三图所示的结果。在第一次布放海底沉积物监测平台及海底潜标中遵循上述布放方案。

最后，基于上述监测***，通过下述步骤实现深海多金属结核开采工程地质环境影响监测及综合评价。

1） 通过沉积物监测平台原位监测获取多金属结核开采过程中不同采矿车集矿路径上重沉积沉积物厚度及表层沉积物性质（孔隙度、氧化还原电位）随采矿时间的变化；该点处底层水流速度及浊度剖面，再悬浮沉积物运动影像资料。

2）通过海底潜标原位监测矿区底层水流速大小及方向，不同采矿车集矿路径上水体中固体悬浮颗粒浓度、水体盐度、温度随采矿时间的变化；该点处底层水流速及浊度剖面。

3）根据监测数据，基于矿区海床附近周期性大洋环流流动方向及速度，结合沉积物再悬浮运移分布特征模型，分析不同采矿车采矿路径上再悬浮沉积物运移分布特征及规律。从而在整个采矿***运移过程中调整深海多金属结核开采工程地质环境影响监测***中各监测部分的布放位置，以期达到更高效的监测效果。

4）基于监测结果，结合矿区底栖生物生存环境特征，对深海多金属结核开采工程地质环境影响进行综合评价。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，包括

海底沉积物监测平台：用于海底表层沉积物厚度及性质的监测、近海底水流速度及方向的监测、近海底水体中固体悬浮颗粒浓度监测；

海底潜标：用于温度、盐度、Ph值、浊度、水体流速及方向的原位监测；

通讯装置：为沉积物观测平台及海底潜标提供通讯；

海面控制中心：用于操控沉积物监测平台及海底潜标中各设备，分析监测数据，得出再悬浮沉积物的运移分布规律，并对监测站位进行适时调整；

所述海底沉积物监测平台和海底潜标均通过声学通讯装置与海面控制中心连接。

2.根据权利要求1所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，所述海底沉积物监测平台及海底潜标顶部均通过线缆连接有水下声学换能器。

3.根据权利要求2所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，所述声学通讯装置包含作为声学通讯中转站的中继浮标，所述中继浮标漂浮顶部设置有太阳能电池板，中部设置浮球，底部通过线缆连接到水下声学换能器上，所述水下声学换能器通过浮球漂浮在距海床至少100米的位置，太阳能电池板及浮球均漂浮在海面上，所述太阳能电池板电性连接水中声学换能器。

4.根据权利要求1所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，所述海底表层沉积物监测平台集成自然电位探杆、声学多普勒流速剖面仪、浊度计和水下摄像机，且布放在每个采矿区块采矿车集矿路径的顶点和采矿车集矿路径上第一次拐弯处拐角的顶点。

5.根据权利要求1所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，所述海底潜标包括向下监测的声学多普勒流速剖面仪，竖向分布的多个温度及盐度传感器。

6.根据权利要求5所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，相邻温度及盐度传感器之间的垂直间距为10米。

7.根据权利要求1所述深海多金属结核开采工程地质环境监测***，其特征在于，海底潜标布放位置依据背景水流方向与采矿车路径：背景水流方向与采矿车集矿路径方向相同时，海底潜标布放在垂直于集矿路径距离沉积物监测200米位置；背景水流方向与采矿车路径相反时，海底潜标布放在集矿路径相反方向及沉积物监测平台后方与集矿路径成135度夹角距离300米处。

8.深海多金属结核开采工程地质环境监测方法，其特征在于，

主要步骤为：

1）获取多金属结核开采过程中采矿车集矿路径上重沉积沉积物厚度及沉积物性质随采矿时间的变化；

2）获取矿区底层水流速大小及方向，采矿车集矿路径上水体中固体悬浮颗粒浓度、水体盐度、温度随采矿时间的变化；

3）根据监测数据，结合矿区海床附近周期性大洋环流的流动方向，分析不同采矿车采矿路径上再悬浮沉积物运移分布特征及规律；

4）基于监测结果，结合矿区底栖生物生存环境特征，对深海多金属结核开采工程地质环境影响进行综合评价。

9.根据权利要求8所述深海多金属结核开采工程地质环境监测方法，其特征在于，对海底表层沉积物厚度、性质，底层水动力、性质原位监测，分析结核开采过程中扰动沉积物再悬浮运移分布规律，根据长期再悬浮沉积物影响范围的叠加，找寻再悬浮沉积物影响最大的点作为最佳的监测位置。

10.根据权利要求9所述深海多金属结核开采工程地质环境监测方法，其特征在于，利用声学中继浮标的方式进行通讯。

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