Добыча полезных ископаемых на дне океана

Запасов ключевых полезных ископаемых, обеспечивающих нужды человечества, с каждым годом становится всё меньше. Между тем, океан содержит большую часть минералов, которые есть на суше, а также уникальные минеральные образования, не встречающиеся на континентах, например железомарганцевые конкреции или полиметаллические сульфиды.

Минеральные ресурсы Мирового океана включают в себя пять категорий: углеводороды, газовые гидраты, «традиционные» твёрдые полезные ископаемые, специфические глубоководные твёрдые полезные ископаемые и более семидесяти химических элементов, содержащихся в морской воде.

Доля добычи углеводородов шельфовых и глубоководных месторождений в мировом объёме составляет, по различным оценкам, от 30 до 35%. К 2050 году этот показатель может увеличиться до 40–45%, в том числе за счёт освоения потенциала Арктического шельфа и глубоководных, свыше 1500 метров, месторождений.

В ближайшем будущем ископаемые энергоносители по-прежнему будут основным компонентом энергобаланса. К 2050 году ископаемое топливо по-прежнему будет составлять около 75% глобального энергоснабжения.

Разработка новых технологий может сделать экономически эффективными морские месторождения, которые ранее были нерентабельными, что форсирует разработку морской техники для разведки и добычи, стимулирует технологическое развитие всей промышленности, связанной с освоением шельфа, в особенности технологий, обеспечивающих безопасность исследований и разработки новых источников углеводородного сырья.

Газовые гидраты (клатраты) существуют при низких температурах и высоком давлении и при нарушении этих условий легко распадаются на воду и газ. В гидратах очень высоко содержание метана: из одного кубометра газогидратов в стандартных условиях можно получить 164 кубометра этого газа.

Разработка месторождений газогидратов является более дорогостоящей по сравнению с разработкой традиционных месторождений природного газа из-за низкой отдачи от масштаба, необходимости сжатия природного газа, более высокой стоимости освоения скважин и применения технологий, препятствующих добыче песка. Несмотря на то, что с накоплением опыта и развитием технологий стоимость разработки залежей газогидратов должна снизиться, не все эксперты согласны с тем, что данный̆ ресурс сможет стать конкурентоспособным.

Экологические опасения при разработке месторождений газогидратов связаны с применением ингибиторов, а именно с риском загрязнения окружающей среды в результате аварийных выбросов ингибитора или разливов при производстве, транспортировке и применении ингибитора.

История разработки морских месторождений «традиционных» твёрдых полезных ископаемых, таких как уголь, железные руды, олово, алмазы, никель, ртуть, сера и др., насчитывает несколько десятилетий. Большой опыт накоплен у таких стран, как Великобритания, Япония, Канада, Австралия, Новая Зеландия, Турция.

Доля добычи «традиционных» твёрдых полезных ископаемых на морских месторождениях в мировом объёме сегодня составляет 10–15%, а к 2050 году может увеличиться до 20–25%.

Морские традиционные твёрдые полезные ископаемые — важный объект исследований «Геологии будущего». Коммерческий интерес представляют пески и гравий, фосфориты, а также прибрежные россыпные месторождения алмазов, касситерита — олова, ильменита и рутила, — титана, золота, других металлов. Подводная добыча осуществляется открытым (драги и земснаряды) и подземным (горные выработки под дном и буровые скважины) способами.

Рост спроса на металлы со стороны различных производственных отраслей обеспечивает значительный толчок рынку морской горной добычи. Расширение использования драгоценных металлов и наночастиц металлов, особенно никеля, золота и платины, в нескольких промышленных сегментах, включая печатные краски, катализаторы и медицинские диагностические агенты, создает высокую потребность в извлечении таких металлов. Кроме того, увеличиваются потребности агропромышленного сектора мировой экономики в искусственных удобрениях на основе фосфора, что положительно влияет на увеличение добычи фосфоритов. Ресурсы континентального шельфа, представляющие коммерческий интерес, также включают фосфориты и железистые песчаники, богатые титаномагнетитом и известково-солончаковыми полевыми шпатами для производства стали.

Воздействие на окружающую среду включает физическое изменение бентической среды и подводного культурного наследия. В первую очередь удаляется осадочный слой, что приводит к исчезновению бентических колоний (планктон). По данным многочисленных исследований, в результате добычных работ с использованием землечерпальных систем уничтожается 30–70% биомассы (в некоторых случаях до 95%). Кроме того, вмешательство в осадочный слой приводит к уменьшению доступа солнечного света, необходимого для фотосинтеза фитопланктона. Приливы и течения разносят используемые химикаты, что приводит к загрязнению океана не только в зоне добычи ископаемых. Степень воздействия на окружающую среду зависит от метода добычи и её интенсивности, а также от состава осадочного слоя и гидродинамики местных вод.

На дне глубоководных районов Мирового океана сосредоточены огромные минеральные ресурсы. Потенциал их освоения полностью не раскрыт до сих пор. Не исключено, что океанское дно содержит большую часть тех минералов, которые есть на суше. Помимо этого, в глубоководных районах обнаружены минеральные образования, которые встречаются только в Мировом океане: железомарганцевые конкреции (ЖМК), глубоководные полиметаллические сульфиды (ГПС), кобальто-марганцевые корки (КМК).

Добыча специфических глубоководных полезных ископаемых является очень сложной задачей в связи с экстремальными условиями океанских глубин, однако, основываясь на современных оценках размера, расположения и состава залежей глубоководных полезных ископаемых, предполагаемых капитальных и операционных расходах, а также цене на металлы, некоторые эксперты приходят к выводу о том, что коммерческая эффективность добычи ГПС выше, чем у проектов ЖМК и КМК.

Экологический ущерб от добычи специфических глубоководных полезных ископаемых в полной мере определить пока не удаётся. Учёные только начали описывать возможные воздействия, чтобы регулирующие органы и общественность лучше представляли себе последствия новой промышленной активности в Мировом океане. Некоторые учёные считают, что разработку глубоководных полезных ископаемых должна предварять большая исследовательская работа в течение 10–15 лет.

Важной составляющей̆ ресурсов Мирового океана является морская вода, содержащая элементы солевого состава, которые можно использовать для хозяйственных нужд. Океанская вода используется как для обеспечения населения пресной водой через технологии опреснения, так и для получения полезных химических элементов и соединений (гидрохимические ресурсы).

По современным оценкам, воды Мирового океана содержат более 70 химических элементов. В наибольшем количестве океаносфера содержит соединения хлора, натрия, магния, серы, кальция. При этом вследствие огромного объёма морской воды суммарная масса элементов с меньшим удельным содержанием (золото, серебро) довольно высока.

В следующие десятилетия ожидается, что сочетание достижений в супрамолекулярной химии, теории разделения, химии материалов, нанобиотехнологии, технологической инженерии и масштабируемого производства приведёт к качественному прогрессу, необходимому для создания, оптимизации и эксплуатации завода будущего по переработке морской воды.

По некоторым оценкам, в 2030 году мировые объёмы опреснения воды вырастут до 120 млрд тонн в год и продолжат расти дальше. Экономическая прибыль, получаемая при извлечении минералов, зависит от концентрации данных минералов в морской воде и рыночной стоимости этих минералов.

Однако выбросы воды с изменённым молекулярным составом могут оказать существенное влияние на экологический баланс в морской среде. Также существенным воздействием на окружающую среду большинства опреснительных установок является выброс парниковых газов от генерации потребляемой энергии.

Сегодня сырьевого снабжения требуют даже те технологии, которые должны сократить нефтяную зависимость и свести к минимуму выбросы в окружающую среду, начиная от теллура для солнечных батарей, заканчивая литием для электромобилей.

Дно океана буквально устлано этими и многими другими редчайшими элементами.

Дело за малым — преодолеть тысячи метров под водой, где нет света, а температура горячих источников достигает 350 С, тем не менее, там есть удивительная жизнь.

Речь идёт о технологиях, которых человечество ещё не видело: роботы размером с двухэтажный дом, гигантские суда и насосы, способные преодолевать давление абиссальной зоны.

Что скажет океан в ответ на такое вмешательство, будет загадкой до тех пор, пока машины не коснутся дна.

В ближайшие десятки лет ресурсы полезных ископаемых на суше будут исчерпаны.

Это одна, но не единственная причина необходимости освоения минеральных ресурсов океана – считает профессор СПбГУ Георгий Черкашёв.

Более того, добываются всё более бедные руды, океан же несравнимо богат по содержанию компонентов: меди, золота, марганца и других. Чтобы извлечь со дна то же количество металла, нужно меньшее количество руды – это более выгодно с точки зрения добычных процессов.

«Один из аспектов — технологический. Раньше говорили, что нет технологий, сегодня они – и разведочные и добычные, уже имеются, так что за технологией дело не встанет.

Дело в том, что Россия и 160 стран ООН подписали Конвенцию по морскому праву. Согласно ей, в пределах международного района по морскому дну каждая страна может заявлять участки на проведение разведочных и в дальнейшем добычных работ.

Но поскольку количество этих участков в океане ограничено, нужно торопиться, чтобы занять самые интересные, перспективные с точки зрения ресурсов участки, заявить их.

Ждать нельзя, с этим нужно торопиться.

Как говорят, передел мира закончился — вот сейчас происходит передел океана, незаметно, но идёт.

Это геополитическая гонка», — рассуждает заместитель генерального директора ВНИИОкеангеология, профессор СПбГУ, член Юридической и Технической комиссии МОМД Георгий Черкашёв.

Во глубине океанских руд

Речь идёт о твёрдых минеральных ресурсах глубоководного океана – это полезные ископаемые в виде руды.

Они делятся на три принципиально разных типа, каждый из которых занимает свой уровень глубины и образует уникальные экосистемы.

Железомарганцевые конкреции образуются на океаническом ложе в 4-5 километрах от поверхности – эту часть дна океана ещё называют абиссальными равнинами.

Кобальт-марганцевые корки залегают на подводных горах, на глубине от 800 метров до 1,5-2 километров.

Полиметаллические сульфидные руды зарождаются на Срединно-океанических хребтах и в районе островных дуг, на глубине 2-3 км.

С точки зрения окружающей среды эти три вида ресурсов находятся в разных биотопах, каждый из которых представляет собой уникальную экосистему.

Например, полиметаллические сульфидные руды образуются там, где на дне бьют гидротермальные источники — чёрные курильщики.

«Месторождения, образованные чёрными курильщиками, были открыты только во второй половине ХХ века.

Они формируются на границах двух океанических литосферных плит.

Когда в мантии поток поднимается от ядра к земной коре, он, упираясь в земную кору, начинает раздвигать, расходиться в разные стороны, тем самым утягивая за собой литосферные плиты. В местах расхождения магма беспрепятственно может выходить на поверхность. На этих участках — так называемых Срединно-океанических хребтах, и формируются чёрные курильщики.

Это подводные вулканы, из жерл которых с очень большой температурой — около 300 градусов, вырывается вода чёрного цвета с большим содержанием соединений серы, называемых сульфидами.

Самый распространённый — сульфид железа, который называется пирит.

Минерал в кристалле имеет один цвет — золотой, а в порошке — другой. Именно он и окрашивает воду в чёрный цвет.

Кроме того, сера несёт с собой большое количество металлов, в том числе, тяжёлых, начиная от железа, меди и цинка, заканчивая благородными металлами: золото, серебро и другие.

То есть, это достаточно перспективные участки для разработки.

Их не так много, как железомарганцевых конкреций, однако рядом с курильщиками залегает очень богатая руда, так как формируются осадки с высоким содержанием тех или иных металлов», — рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры Геологии и маркшейдерского дела МИСиС Василий Ческидов.

_____

«Самые важные и интересные открытия, связанные с «чёрными курильщиками», были сделаны за последние 40 лет.

Эти открытия абсолютно поменяли наше представление об океане.

Например, мы узнали, что жизнь может развиваться без фотосинтеза — на основе хемосинтеза, то есть, энергии химических соединений, которые поступают из недр земли.

Что касается абиссальных равнин, океанического ложа — это, казалось бы, очень глубоко, далеко, и на глаз может показаться, что там жизни немного, но, на самом деле, там находится одна из самых богатых на планете экосистем с богатейшим видовым разнообразием.

По некоторым оценкам, оно сопоставимо с влажными тропическими лесами, где, как известно, самое высокое биологическое разнообразие, только на суше.

А в океане — это коралловые рифы и глубоководные экосистемы», — отмечет доктор биологических наук, руководитель Лаборатории донной фауны океана, главный научный сотрудник ИО РАН им. П.П. Ширшова Андрей Гебрук.

Что будет с океаном?

Экологический аспект — важнейшая составная часть проектов освоения глубоководных минеральных ресурсов.

Обеспечение баланса между экономической целесообразностью и экологией — основная задача Международного Органа по Морскому Дну (МОМД), который контролирует проведение разведочных, а в дальнейшем — добычных работ.

«Во всём мире в настоящее время ведется обширная работа по изучению вариантов смягчения воздействия глубоководной добычи на окружающую среду.

В США Национальное управление океанических и атмосферных исследований провело разведочные и картографические работы у побережья Гавайских островов.

Европейский союз внес миллионы долларов в такие проекты, как MIDAS (Управление воздействиями глубоководных ресурсов) и Blue Mining, международный консорциум из 19 отраслевых и исследовательских организаций», — сообщает издание The Guardian.

Специалисты из области геологии утверждают, что, учитывая локальные размеры потенциальных месторождений — в особенности это касается сульфидных руд с размерами рудных полей в первые сотни метров, воздействие на окружающую среду будет иметь локальный характер.

«Ущерб будет очень небольшим прежде всего из-за эффекта масштаба.

Участки отработки на дне несоизмеримо малы по сравнению с общими размерами дна Мирового океана.

Например, площадь нашего пилотного проекта Solwara 1 составляет всего 59 квадратных километров», — убедительно сказал в интервью журналу «Редкие земли» вице-президент канадской компании Nautilus Minerals Джон Парианос.

Однако экологи во всём мире всерьёз обеспокоены: они опасаются, что вмешательство представляет потенциальную опасность из-за светового и шумового загрязнения. Океанское дно играет важную роль в биосфере Земли: регулирует глобальные температуры, хранит углерод и обеспечивает среду обитания для огромного множества живых существ.

Промышленность развивается быстрее, чем наука. Поэтому учёные настаивают на том, что прежде, чем начинать какую-либо промышленную активность, нужно лучше изучить глубоководный мир, о котором мы крайне мало знаем.

«Жизнь на земле зависит от океана, он производит и существенную долю кислорода на планете, и огромную биологическую продукцию.

Если это всё нарушить, последствия будут непредсказуемыми.

И это будет посерьёзнее, чем любые карьерные разработки на суше или даже давно ведущийся промысел на шельфе.

Там всё ближе и понятней, поэтому легче контролировать.

Мы видим, что там происходит.

Мы знаем про катастрофы, которые там случаются и их последствия.

И мы знаем, что эти системы хоть и за долгие годы, но восстанавливаются.

А вот что произойдёт на большой глубине, не знает никто, поэтому вторгаться в систему, которую мы ещё не изучили и не поняли — смертельно опасно для человечества.

Может быть, звучит очень пафосно, но это правда: последствия могут быть совершенно катастрофические и непоправимые», — предполагает Андрей Викторович.

Казалось бы, прогнозы неутешительные. Однако сегодня есть проекты для разработки чёрных курильщиков, которые уже потухли.

Как только там прекращается гидротермальная деятельность, вся экосистема быстро гибнет — исчезает источник питания для микроорганизмов — основы пищевой цепи.

Пока есть большие основания считать, что человечество всё же начнёт хозяйствовать в глубина океана.

Как скоро процесс из этапа разведки перейдёт к этапу добычи?

«Это будет ясно после проведения первых испытаний, которые запланированы на ближайшие годы.

МОМД выпускает правила, но сегодня существуют только правила по разведочным работам.

А по добычным работам правила ещё не утверждены и находятся пока на стадии подготовки.

Ожидается, что к 2021 году они будут приняты. До этого момента никакой добычной активности в Международном районе морского дна точно не будет.

Однако в рамках разведочных контрактов все контракторы обязаны приступить к испытаниям своей добычной техники.

Можно сказать, какие-то элементы в виде испытаний уже начинаются. В частности, немецкие и бельгийские контракторы уже в следующем году пойдут в Тихий океан и будут испытывать элементы своих добычных систем.

Также компания Nautilus Minerals имеет добычной комплекс стоимостью 0,5 млрд. У них в планах — к концу 2019 года начать добычные работы.

Но они будут проводиться не в Международном районе морского дна, а в экономической зоне островного государства Папуа Новая Гвинея, а это другой юридический статус, и к той деятельности МОМД отношения не имеет», — отмечает г-н Черкашёв.

За время разведки учёным удалось выявить зону, максимально отвечающую основным требованиям эффективной разработки конкреций.

Она расположена в Тихом океане между 6 и 20° с.ш. и примерно 180 и 120° з.д. и занимает площадь около 6 млн. км2.

По предварительным расчётам, менее половины «живущих» там конкреций могут дать 85 млн. тонн никеля, 65 млн. тонн меди и 1700 млн. тонн марганца.

«В Тихом океане два огромных участка, а том числе, участок Кларион-Клиппертон, на площади которого развёрнут достаточно крупный проект, который возник достаточно давно.

Туда входят Россия, Китай, Южная Корея и другие государства, которые как раз занимаются разработкой технологии изучения этих месторождений и технологией, как их добывать.

Ряд стран имеют определённые успехи. Но сегодня ни одно государство не приблизилось к созданию этой технологии. Глубина более четрёх километров

. В России был опыт добычи железомарганцевых конкреций — не с таких глубин.

Этот проект возник где-то в 2007 году, разрабатывали в Финском заливе в Санкт-Петербурге. Но, к сожалению, этот проект сегодня свернули из-за нерентабельности.

Дорого, самые большие затраты приходятся на подъём.

Разрыхлить, собрать — проблема решённая. А вот поднять — остаётся задачей», — рассуждает Василий Ческидов.

Перспективы глубоководной добычи

Среди преимуществ добычи полезных ископаемых со дна океана называют отсутствие необходимости строительства карьеров, шахт и инфраструктуры в целом, потому что на суше месторождения локализованы не на поверхности, а в недрах на разной глубине, океанские же руды залегают непосредственно на поверхности дна.

Сегодня зарубежные и отечественные учёные обнаружили в Мировом океане около 50 районов развития глубоководных полиметаллических сульфидных руд.

В разведке участвуют учёные и технологи из Южной Кореи, Индии, Германии, России, Франции, Китая и Польши.

Особый интерес представляет область добычи полиметаллических конкреций.

Здесь самая высокая конкуренция, например, бельгийская компания DEME имеет самую передовую технологию добычи.

Все работы будут роботизированы.

В добыче будут задействованы многолучевые эхолоты, буксируемые и автономные аппараты, глубоководные буровые установки и прочее.

По словам экспертов, главная причина, по которой добыча ещё не началась — пока это весьма и весьма дорого. Поэтому добычная система должна быть задействована на долгосрочные контракты на объектах с высокими ресурсными показателями. Она должна обслуживать нескольких контракторов для удешевления добычных операций.

Также компаниям нужно стремиться к созданию менее дорогих технологий добычи и переработки сырья.

Участие России

«Разведочные работы проводятся по трём контрактам с МОМД.

Два из них — на работы по КМК (Тихий океан) и ГПС (Атлантика) подписаны Минприроды РФ, ещё один на ЖМК (Тихий океан) — АО Южморгеология.

Непосредственно геологоразведочные работы проводят 2 организации: АО Южморгеология (ЖМК, КМК) и АО ПМГРЭ (ГПС). Институт ВНИИОкеангеология обеспечивает научно-методическое сопровождение ГРР. По всему океану существует 30 контрактов, 3 из которых принадлежат России», — объясняет г-н Черкашёв.

Зона особых интересов России охватывает Магеллановы горы. Там сосредоточено 1,83 млрд тонн руды кобальто-марганцевых корок, содержащих 9,9 млн тонн кобальта и 380 млн тонн марганца.

«Фактически на сегодняшний день в России нет ни одного крупного месторождения марганца на суше, которое мы могли бы разрабатывать.

Есть отдельные небольшие месторождения, но это экономически нецелесообразно.

Стратегический для России марганец является дефицитным.

Поэтому Россия одна из первых включилась в решение проблем создания технологий по добыче железомарганцевых конкреций и кобальтсодержащих корок.

Кроме того, государства постоянно конкурируют между собой.

Если какая-то из стран научится быстро и дёшево добывать полезные ископаемые на огромной территории в Тихом океане, она станет лидером.

И чтобы лидера далеко не отпускать, все эти страны вынуждены идти в ногу со всеми, быть в тренде», — говорит Василий Ческидов.

Справка:

Посредине всех океанов проходит огромная океаническая трещина. В этих частях происходит расширение океанического дна.

Жёсткие океанические плиты, пластины толщиной около 5-7 километров, накрывающие вязкий пластичный материал мантии, раздвигаются, и через трещины поступают на поверхность мантийные расплавы материалы с глубин примерно 6-8 километров.

При этом образуется так называемая рифтовая система с характерной рифтовой долиной.

Это напоминает горную долину, в которой движущийся ледник выпахал террасы, спрямил русло, выработал полого-вогнутое дно и крутые склоны к нему. Края долины приподняты, в середине – впадина, на отдельных участках ширина составляет до нескольких десятков километров. Как змея она извивается через все океаны.

Эти структуры — часть системы Срединно-океанических хребтов. На всех картах — космических или топографических — видна приподнятая часть, борта впадин, они находятся на глубине порядка двух километров.

Дно Срединно-океанического хребта внутри трога (рифтовой долины, от немецкого «trog» — корыто) достигает глубины трёх-четырёх километров.

В некоторых участках этого хребта — отдельные сектора, где извергаются вулканы и происходят землетрясения.

Но самое главное, там развиты флюидные системы, где выходят газ и