Добыча твердых полезных ископаемых на шельфе
Мировой океан — хранилище колоссальных ресурсов полезных ископаемых. По прогнозам, доля морских месторождений в третьем тысячелетии станет преобладающей по сравнению с месторождениями суши. Выделяют следующие группы полезных ископаемых:
- железо-марганцевые конкреции (ЖМК);
- кобальто-марганцевые корки (КМК);
- глубоководные полиметаллические (колчеданные) сульфидные руды (ГПС);
- фосфориты;
- россыпи (золотоносные, оловоносные, титан-циркониевые и др.);
- строительные материалы (песок, гравий, ракушечник);
- металлоносные осадки;
- газогидраты (углеводороды в твердой фазе).
Наибольшее практическое значение имеют первые четыре группы. В конкрециях, корках, колчеданных рудах и фосфоритах содержится значительное количество нике-ля, кобальта, марганца, меди, цинка, серебра, золота, свинца, фосфора, присутствуют платина, кадмий, редкоземельные и другие элементы.
Общая стоимость ресурсов железо-марганцевых конкреций и кобальто-марганцевых корок составляет около 38 трлн долл., что почти в два раза превышает ценность указанных компонентов в месторождениях суши. Наибольшую ценность представляют кобальто-марганцевые корки и железо-марганцевые конкреции, в которых валовая стоимость кобальта — 4435,8 млрд долл. и марганца — 1661,0 млрд долл. Поэтому именно кобальто-марганцевые корки и железо-марганцевые конкреции являются первоочередными объектами освоения глубоководных минеральных ресурсов.
Доля России в общей площади экономических зон в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах и в валовой стоимости заключенных там ресурсов твердых полезных ископаемых составляет около 10 %. Общая их ценность в зоне особых интересов России достигает почти 1 трлн долл.
В соответствии с Конвенцией по морскому праву, Международный орган по морскому дну (МОД ООН) выделил России в международном районе морского дна (МРМД) в пределах поля Кларион-Клиппертон (Тихий океан) участок морского дна площадью 75 тыс. кв. км с месторождением железо-магранцевых конкреций. Среднее содержание марганца — 27 %, никеля — 1,3%, меди — 1,1%, кобальта — 0,25 %. Предварительная геолого-экономическая оценка его освоения показала, что на выделенном участке прогнозные ресурсы железо-марганцевых конкреций, в которых содержится 142 млн т марганца, 6680 млн т никеля, 5550 тыс. т кобальта оцениваются в 703 млн т, что равноценно запасам двух уникальных месторождений марганца и кобальта и двух крупных — никеля и меди Если бы это месторождение было освоено в наши дни, то оно давало бы от годовой добычи России до 20 % никеля, 100 % марганца (в1991–2000 гг. этот металл в России практически не добывался) и 80–90 % кобальта. В целом это может быть сопоставимо только с гигантами Норильского рудного узла, запасы которого катастрофически тают, а качество руд резко падает.
Зоны особых интересов России, связанные с железо-марганцевыми конкрециями, сосредоточены исключительно в Международном районе морского дна в пределах поля Кларион-Клиппертон Тихого океана и Центральной котловины Индийского океана, где эти конкреции представляют практический интерес.
Железо-марганцевые образования могут рассматриваться не только как рудное сырье, но и как высокоэффективный природный сорбент или высококачественное сырье для синтеза неорганических ионообменных материалов. По предварительным данным, железо-марганцевые образования и продукты их переработки могут эффективно использоваться вместо дорогостоящих синтетических смол для дезактивации малоактивных вод атомных электростанций, сбросовых вод производств цветной металлургии, металлообработки, электролитических производств, извлечения металлов из природных и рудничных вод.
Интересы России в отношении кобальто-марганцевых корок целиком связаны с международным районом морского дна. Причем, наибольшими преимуществами в связи с интенсивным изучением подводных гор Западного сектора северной приэкваториальной зоны Тихого океана обладает Россия. В зоне ее особых интересов, охватывающей Магеллановы горы, поднятия Маркус-Уэйк и Уэйк-Неккер, а также северную часть подводного продолжения Маршалловых островов и островов Лайн, сосредоточено 1,83 млрд т руды кольбальто-марганцевых корок, содержащих 9,9 млн т кобальта и 380 млн т марганца.
Таким образом, Россия может претендовать на весьма существенные ресурсы руд кольбальто-марганцевых корок, однако реальное обладание ими затруднено, так как пока детально изучены только два участка Магеллановых гор. Ресурсы их составляют 777 тыс. т кобальта и 30 млн т марганца, что в два раза меньше ресурсов экономической зоны Японии и в 40 раз меньше ресурсов кольбальто-марганцевых корок в экономической зоне США. Металлогенические ресурсы кольбальто-марганцевоых корок в пределах высокоперспективных рудных полей сосредоточены в Тихом океане.
В пределах Магеллановых гор (северо-западная часть Тихого океана) выявлены потенциальные крупные месторождения кольбальто-марганцевых корок. Содержание кобальта в руде в среднем составляет 0,64 %; средняя мощность корок 6 см ; плотность залегания 75–85 кг/м 2 Прогнозные ресурсы кобальта в кольбальто-марганцевых корок отдельных участков варьируют от 161 до 460 тыс. т и сопоставимы с прогнозными ресурсами Норильской и Уральской никеленосно-кобальтоносных провинций.
Кроме кобальта, практический интерес представляют, в первую очередь, платина, марганец, никель, а также вольфрам, молибден, легкие редкоземельные элементы, иттрий.
К настоящему времени зарубежными и отечественными исследованиями в Мировом океане обнаружено около 50 районов развития глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд. Потенциальная ценность руд, прогнозируемых в Мировом океане (1415 млн т) по пяти основным металлам (медь, цинк, свинец, золото, серебро) составляет 385,3 млрд долл. США. По географо-экономическим соображениям (близость к районам работ и др.) для России наибольший интерес представляют рудные районы Срединно-Атлантического хребта, где сосредоточено 15 % общих ресурсов глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд.
По предварительной оценке, в пределах рудного района можно ожидать выявление нескольких сближенных месторождений, которые могут обеспечить работу морского добывающего предприятия на 20–30 лет при производительности 1,5 млн т руды в год. Переработка руд возможна на действующих горно-обогатительных предприятиях.
Ресурсы глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд России в своей экономической зоне (Командорский и Курильский районы) составляют около 280 млн т, что существенно ниже, чем имеют США и Япония. Здесь содержится около 33 млн т цинка, 2 млн т меди, 32 тыс. т серебра, 3 тыс. т кобальта, 3 тыс. т никеля и 240 т золота.
Россия может увеличить потенциальные ресурсы глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд путем включения в зону своих особых интересов Центрально-Атлантической провинции Международного района морского дна, где нашей стране принадлежит приоритет открытия рудных полей «Полярное», ТАГ, «Мир». В этом случае общие ресурсы глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд, принадлежащие России в Мировом океане, могут возрасти до 400 млн т руды.
По фосфоритам на долю России (включая фосфориты Балтийского моря) приходится лишь 0,2 % общемировых (около 220 млн т). Тем не менее, интерес представляют фосфориты Охотского и Японского морей.
Месторождения строительных материалов (песчано-гравийные смеси) имеются на Балтийском, Черном и Каспийском морях.
Газогидраты, представляющие собой твердые соединения природного газа, обнаружены в западной части Тихого океана, в Каспийском и Черном морях.
Таким образом, Россия по ресурсам твердых полезных ископаемых Мирового океана находится в среднем положении. Ее ресурсный потенциал значительно уступает потенциалам США и Франции, но превышает потенциалы Китая и Индии.
Источник
Подводная добыча полезных ископаемых, разработка месторождений полезных, ископаемых под водами Мирового океана.
Разработка поверхностных месторождений шельфа и ложа океана производится открытым способом через водную толщу. На поверхности шельфа (19% площади суши) и ложа океана (50% площади Земли) сосредоточены огромные минеральные ресурсы. Только в железомарганцевых конкрециях донных отложений Тихого океана запасы марганца прогнозируются в 2,4×1011т, кобальта — 2,8×109т, никеля — 9,4×109т, меди — 5,3×109т. На шельфе располагаются россыпные месторождения тяжёлых минералов и металлов.
Первые попытки освоения шельфа сделаны в 11 в. до н. э., когда финикийцы из отложений морских ракушек добывали сырьё для производства пурпурной краски. Позднее (6 в. до н. э.) на островах Полинезии велась разработка коралловых рифов для получения строительных материалов. В 3 в. до н. э. с глубины 4 м у о. Халка, в пролив Босфор, ныряльщики добывали медную руду. В конце 19 в. началось освоение россыпей золота, затем ильменита, рутила, циркона, монацита на побережье Австралии (1870), Бразилии (1884), Индии (1909). В 20-х гг. 20 в. была начата добыча олова из морских россыпей Индонезии, в 1963 — алмазов на шельфе Юго-Западной Африки. В начале 60-х гг. добывалась железная руда из россыпей залива Ариаке (Япония). В СССР работы по освоению морских россыпей были начаты в 1966 на шельфе восточной части Балтики, где добывались титано-цирконовые концентраты.
В 1973 свыше 70 дражных предприятий добывали из россыпей шельфа около 120—130 млн. м3 горной массы, при этом добыча оловянных концентратов из морских россыпей достигала 10% от мирового объёма добычи олова (без СССР), а стоимость добытых алмазов в отдельные годы составляла свыше 3% от общей стоимости добываемых алмазов.
В зависимости от горно-геологических и гидрометеорологических условий, глубины разработки и вида полезного ископаемого применяются различные технические средства (рис. 1), а также способы П. д. Разрабатываются россыпи преимущественно многочерпаковыми, гидравлическими и грейферными драгами. Для разработки железомарганцевых конкреций испытаны и строятся (1974) драги с гидравлическим подъёмом (эрлифт) и ковшами, закрепляемыми на бесконечном тросе.
Перспективы открытой П. д. на шельфе определяются её преимуществами по сравнению с разработкой месторождений суши: строительство дражных и др. технических судов на крупных судостроительных заводах исключает период строительно-монтажных работ на месторождении; значительно уменьшаются объёмы по вскрытию месторождений полезных ископаемых; исключается строительство подъездных путей, линий электропередач и жилых посёлков, а также отпадает необходимость отчуждения с.-х. земель и последующей их рекультивации.
Горные работы на шельфе затрудняются наличием волнений на водной поверхности, заносимостью выработок на дне моря, размывом отвалов, выемкой пород и их сбросом в среду жизнедеятельности морской фауны и флоры, а также необходимостью поддержания устойчивости береговых линий.
Основные направления научно-исследовательских работ по освоению шельфа в СССР: разработка методов геологических поисков и опробования морских россыпей шельфа с установлением их геолого-экономической оценки; разработка научных основ технологии подводной добычи полезных ископаемых в районах континентального шельфа и океанического ложа без ущерба для водных организмов; создание машин, производящих добычу и обогащение полезных ископаемых на всех глубинах шельфа.
Разработка месторождений недр Мирового океана осуществляется подземными горными выработками и буровыми скважинами.
П. д. из коренных месторождений по методам выемки руд полезного ископаемого мало чем отличается от добычи на суше (см. Подземная разработка полезных ископаемых). На большинстве подводных шахт стволы закладываются на суше, вследствие этого откаточные выработки имеют протяжённость в несколько км. Применяют вскрытие шахтных полей стволами с искусственных островов (например, шахта «Майке», Япония). Глубина заложения горных выработок под дном, гарантирующая их от затопления, зависит от свойств вышележащих пород и обычно равна 65—80 м. Разработка месторождений ведётся с закладкой выработанного пространства; проветривание морских шахт осуществляется через один ствол по трубам.
В 1974 эксплуатировалось 57 угольных шахт в Японии, Великобритании, Турции, на о. Тайвань, две железорудные шахты в Финляндии и Канаде, два оловянных рудника в Великобритании и СССР.
Наибольший объём П. д. приходится на добычу нефти и газа из недр Мирового океана. Перспективной является также добыча твёрдых полезных ископаемых геотехнологическими методами (см. Подземное выщелачивание, Подземное растворение). Например, годовая добыча серы с помощью расплавления на месторождениях Мексиканского залива превышает 600 тыс. т (1973).
К П. д. относят также извлечение полезных ископаемых из морской воды, основанное на физико-химических процессах выделения растворённых в ней солей, различных химических элементов, общий объём которых достигает 48 млн. км3 (в т. ч. около 2×1016т натрия, около 2×1015т магния, около 1,3×1014т брома).
С середины 19 в. из маточных рассолов поваренной соли во Франции начали получать бром. С 30-х гг. 20 в. начато промышленное извлечение из морской воды магния. В 1970 в СССР, США, Великобритании и др. странах работало свыше 100 предприятий по добыче хлористого натрия из морской воды с объёмом производства свыше 10 млн. т, магния 300 тыс. т и брома 75 тыс. т.
Технология извлечения химических элементов из морской воды предусматривает, как правило, их концентрацию, а затем, при взаимодействии насыщенного раствора с др. элементами, их получение в виде соединений (рис. 2).
Концентрация химических элементов в морской воде низкая (за исключением натрия, магния, брома), и потому их извлечение нерентабельно (1974). Перспективы в этом направлении связаны с увеличением объёмов опреснения морской воды. Из получаемых при этом попутных рассолов химических элементы можно эффективно извлекать на установках по адсорбционному обмену и экстракции. О правовых вопросах П. д. см. в ст. Шельф. См. также статьи Океан и Морская геофизическая разведка.
Лит.: Меро Д., Минеральные богатства океана, пер. с англ., М., 1969; Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, М., 1970.
Г. А. Нурок. Ю. В. Бубис.
Рис. 2. Схема получения магния из морской воды: 1 — трубопровод для подачи морской воды; 2 — распределительный резервуар; 3 — устройство для гидрообработки; 4 — вторичный реактор; 5 — третичный реактор; 6 — первичный загуститель; 7 — ёмкость для хранения пресной воды; 8 — промывная установка; 9 — вакуум-фильтр; 10 — винтовой транспортёр; 11 — ёмкость для хранения загустелого Mg(OH)2; 12 — устройство для гидрообработки пресной воды; 13 — роторные сушильные печи.
Рис. 1. Технические средства подводной добычи полезных ископаемых.
Оглавление
Источник
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 4045%, 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 1015%, а к 2050 году может увеличиться до 2025%.
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 3070% 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 1015 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.
Источник