Месторождения полезных ископаемых океанов и моей
Помимо поверхности континентов, человек в течение всей своей истории использует полезные ископаемые океана и моря.
До недавних времен главной областью эксплуатации было рыболовство, но в последние десятилетия важную роль в экономике некоторых приморских государств играет добыча нефти с морского дна в районе материковых окраин.
Человек использует соли, растворенные в морской воде. В настоящее время о запасах моря часто говорят, как о надежде человечества. Моря и океаны, покрывающие более двух третей поверхности земного шара, призваны поддержать энергетический, сырьевой и пищевой баланс увеличивающегося населения Земли.
Естественно, встает вопрос, реально ли это?
Что можно добыть с Мирового океана
Казалось бы само собой разумеющимся, что соль, которую употребляет человек, происходит из моря, но это не так.
Лишь третья часть поваренной соли получается путем испарения морской воды, остальная добывается на континентах или путем испарения соляного раствора — минерализованных вод, сопровождающих месторождения соли.
Итак, морская вода является химическим сырьем, но самое ценное, что из нее получают, не соль, а бром, используемый в первую очередь в фотографической промышленности, и магний. Из морской воды добывается более двух третей мирового потребления этих элементов.
Добыча брома в океане
Морская вода содержит и ряд других соединений, находящихся в растворенном состоянии. Время от времени в СМИ можно прочесть, сколько в ней находится урана или золота. Эти цифры действительно поражают.
Однако нас ограничивает в действиях тот факт, что мы пока не располагаем достаточным количеством энергии, чтобы наладить процесс их извлечения. Но ряд процессов проводит за человека сама природа.
Добыча тяжелых металлов с морского дна
Так, например, медь, марганец, кобальт, никель нет необходимости добывать из морской воды, поскольку эти металлы выпадают и кристаллизуются на дне океанских впадин в виде марганцовых конкреций. Это – образования величиной с орех, кулак или футбольный мяч, во множестве рассыпанные по дну Тихого и Атлантического океанов и состоящие из слоев окислов железа и марганца, кристаллическая структура которых легко связывает более тяжелые металлы, как никель, кобальт и медь.
Общее содержание полезных ископаемых океана в виде металлов в марганцовых конкрециях достигает 2,5%. Поэтому исследовательские корабли составляют карты морского дна, фотографируют его с помощью подводных камер, а ученые анализируют содержание металла в этих шаровидных образованиях.
Выявленное содержание металлов пока невелико, а расходы по добыче сырья со дна велики. Но надежды на источники сырья имеются, хотя о юридической стороне вопроса добычи со дна моря люди договариваются с трудом.
С большим успехом проводится добыча так называемых тяжелых минералов в прибрежных областях.
Например, ученые нашли подводную гору в 300 милях от побережья Канарских островов. Гора представляет редкоземельный металл теллур.
Стоимость этого металла составляет порядка 300 долларов за кг, что будет достаточно прибыльно начать добычу с морского дна.
Вода сортирует минералы
Средневековые горняки, да и позже золотоискатели получали золото путем промывки речных наносов. Вода уносила из старательских сит более легкие силикатные минералы, а на дне оставались более тяжелые минералы. Когда посчастливилось, то и кусочки золота.
Морской прибой и сильные морские течения в ряде мест делали эту работу за человека.
Более тяжелые минералы, например, касситерит (оловянная руда), циркон (циркониевая руда), рутил (окисел титана), моназит (сложный фосфат с содержанием редкоземельных элементов) и даже алмаз высвобождаются из горных пород в процессе выветривания, а поскольку они более стойки, чем многие другие минералы (например, полевой шпат), вода уносит их в море. Там они сортируются как в старательском сите: более легкие, обычно силикатные и кварцевые материалы уносятся, а на пляже или на мелком морском дне остаются тяжелые, полезные фракции. Во многих местах в мире добываются минералы в переходных зонах от океана к материкам.
Однако полезные ископаемые океана и моря пока сложно извлечь или достать с морского дна с учетом получения прибыли. Но технологии улучшаются и, возможно, основные источники сырья будут находиться в море.
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
Минеральные богатства океана люди начали использовать давно, но только в последнее время стало возможным оценить их запасы.
Сама морская вода является ценной «полиминеральной рудой». 1 кг морской воды содержит в среднем 35 г солей.
В Мировом океане сосредоточено около 5·1016 т минерального сырья. Насколько велика эта масса, можно оценить из такого сравнения. Если извлечь всю соль из океана и равномерно распределить по поверхности земной суши, то на каждый квадратный метр придется по 330 т соли, а толщина слоя составит около 150 м.
Больше всего в океане хлора — 2,64·1016 т, натрия — 1,4·1016 т, магния — 1,8·1015 т, кальция — 5,6·1014 т, калия — 5,3·1014.
По приближенным подсчетам, в воде Мирового океана содержится 20 млрд. т урана, 15 млрд. т меди, 0,5 млрд. т серебра, 8—10 млн. т золота.
Однако и опресненная вода потенциально является одним из наиболее важных соединений, которое может быть получено из морской воды. От употребления воды низкого качества в мире ежегодно заболевают 500 млн. человек. В настоящее время в промышленно развитых странах мира начал ощущаться недостаток пресной воды.
Все эти обстоятельства заставляют искать способы опреснения морской воды. В Мировом океане заключена огромная масса воды.
Объем гидросферы:
- Океаны — 1380 км2
- Озера и реки — 0,5 км2
- Лед — 22 км2
- Вода в атмосфере — 0,013 км2
- Вода в морских и континентальных осадках — 196 км2
Высокая стоимость получения пресной воды является основным недостатком всех методов опреснения. С экономической точки зрения выгодно создавать опреснительные установки совместно с атомными электростанциями или другими дешевыми источниками энергии.
В Советском Союзе опреснительная атомная электростанция построена в городе Шевченко на Каспийском море. Мощность станции по опреснению воды равна 120 000 м3 в сутки.
Интересна идея получения пресной воды из айсбергов. Подсчитано, что если буксировать айсберг объемом 250 млн. м3 из района Антарктиды в Чили (пустыня Атакама) и он за время пути потеряет 86% своей массы, то полученная прибыль составит 1,4 млн. долларов (стоимость оставшейся воды 2,7 млн. долларов минус 1,3 млн. долларов — расходы на транспортировку).
В настоящее время из всех известных химических элементов, находящихся в морской воде, добывают натрий и хлор (в виде поваренной соли), бром, магний, калий.
Запатентованы способы извлечения урана, золота, серебра и ряда других элементов из морской воды в отдельности или в виде полиметаллического концентрата.
Добыча поваренной соли из морской воды была известна еще с времен античной Греции и Рима. Соль была дорогим продуктом, и во многих странах существовала монополия государства. Еще в XVIII в. в Италии по морскому побережью расставлялась охрана, которая следила за тем, чтобы жители «не крали» морскую воду.
Извлечение соли из морской воды возможно путем естественного испарения или вымораживания. Основной способ — испарение морской воды, протекающий в две стадии. Мелководные заливы разгораживают на ряд бассейнов, в которых после испарения первым выпадает сульфат кальция. Затем полученный рассол перекачивают в другой бассейн, где после дополнительного испарения осаждается хлористый натрий. Эффективность этого способа получения поваренной соли крайне низка: извлекается всего 4%.
Производство магния из морской воды хорошо освоено. Стоимость магния из морской воды значительно ниже, чем из минеральных залежей на суше. На заводах морская вода смешивается с реагентом (известковое молоко) и полученные соединения магния подвергают химической обработке соляной кислотой с последующим получением чистого магния в электролитических ваннах.
Соединения магния широко используются в различных областях промышленности: при производстве бумаги, текстиля, резины, как огнеупорный материал для облицовки плавильных печей.
Бром можно рассматривать как исключительно морской элемент: в океане растворено 99% мировых запасов брома. Процесс извлечения брома из морской воды несложен. Морскую воду подкисляют серной кислотой и затем продувают сильной струей воздуха. Бромо-воздушная смесь затем реагирует со стружками железа, образуя бромистое железо. Существуют и другие способы извлечения брома из морской воды с использованием хлора, сульфата, анилина.
Главные потребители брома: производство антидетонаторов для горючего, органическая синтетическая промышленность, медицина и фотография.
Полезные ископаемые. Полезные ископаемые океана можно классифицировать следующим образом:
I. Сырье в недрах под океаном (нефть, газ, уголь, сера, железная руда, барит).
II. Прибрежные россыпные месторождения (ильменит, монацит, циркон, магнетит, золото, алмазы, касситерит, вольфрамит, платина).
III. Полезные ископаемые морского дна (железомарганцевые конкреции и фосфориты).
По данным ООН, наибольший интерес представляет добыча нефти и газа на океанском шельфе (материковая отмель). Мировая добыча нефти составила в 1972 г. 2,6 и, по прогнозам, в 2000 г. может достигнуть 7,4 млрд. т. В 1975 г. на континентальный шельф приходилось уже 1/5 всей добываемой нефти, и предполагается, что в 2000 г. уже половина всей нефти будет добываться со дна океана.
Самые большие нефтяные месторождения — Персидский и Мексиканский заливы. Запасы нефти бассейна Северного моря оцениваются в 5 млрд. т и газа — 3,0—4,5 триллиона м3, и следует отметить особую ценность этого района для европейских стран.
Потребности мирового хозяйства в нефти и природном газе растут очень быстро, свидетельством тому явился так называемый «энергетический кризис».
Кроме нефти и газа, на шельфе имеются залежи угля и руд. Много лет ведется добыча угля шахтами, расположенными на суше в Англии, Японии, Канаде, Чили и других странах. Разведаны месторождения угля на шельфе Турции, Китая, Австралии, в Арктике, США. Считается, что экономически выгодна добыча угля до 25 км от берега. К 1980 г. станет оправдана добыча угля до 25 км от берега. Извлечение угля из недр морского дна составляет для Англии 10% годовой добычи, а для Японии — 30%.
Железная руда. Добыча железной руды из недр шельфа ведется с крупнейшего из известных в настоящее время месторождения Вабана, расположенного у восточного побережья о. Ньюфаундленд. Запасы месторождения Вабана оценены в 2 млрд, т, а производительность рудника — 3 млн. т в год. В меньшем объеме ведется добыча руды во Франции, Финляндии и Швеции.
Сера. При разведочных работах на нефть были обнаружены значительные залежи серы в Мексиканском заливе, вблизи побережья США. Запасы серы оцениваются в 40 млн. т. Для эксплуатации серного месторождения Гранд-Айл построена стальная эстакада, на которой нагревают морскую воду и под давлением закачивают в серный пласт, где она вызывает плавление серы. Расплавленную серу перекачивают на сушу по трубопроводу. В настоящее время на океан приходится 4% мирового производства серы.
Барит. На шельфе вблизи побережья Аляски эксплуатируется единственное месторождение барита, производственная мощность которого составляет 1000 т в сутки. Общие запасы составляют 2,5 млн. т.
Прибрежные россыпные месторождения тяжелых минералов образуются на границе океан — суша вследствие разрушения берегов, выноса обломочного материала реками, сортирующей и транспортирующей деятельности ветрового волнения и течений. Крупнейшие прибрежные россыпи находятся в основном в тропической и субтропической зонах. Они имеют большое экономическое значение, так как на них приходится значительная часть добычи и запасов редких металлов. Минералы ильменит и рутил содержат титан, циркон — цирконий, гафний, монацит — торий.
Наиболее известны морские россыпи Австралии, на долю которых приходится 90% производства рутилового концентрата в капиталистическом мире, 60% мировой добычи циркона и 25% монацита.
Богатейшие прибрежные россыпи имеются на побережье Бразилии. Их протяженность — 1600 км. Годовая добыча монацита составляет до 7000 т (в 1963 г. — 1/3 мировой добычи).
Крупные месторождения ильменита, рутила и циркона находятся на полуострове Флорида (США), на южном побережье Индии.
Олово. Кассетеритовые пески — одна из ценных руд, которая встречается в подводных россыпях. Основной район добычи олова — Юго-Восточная Азия, где находится 75% запасов олова всего капиталистического мира.
Золото, платина и алмазы. Добыча золота из россыпей невелика. Предполагают, что в будущем начнут разрабатывать морские россыпи золота. Основные районы золотоносных песков — Аляска (США).
Морское месторождение платины в заливе Гудньюс (Аляска) разрабатывается с 1926 г. и обеспечивает 90% потребностей США в платине.
На африканском шельфе у берегов Намибии известен и разрабатывается район подводной добычи алмазов, которая оказалась вполне рентабельной.
Среди полезных ископаемых океанского дна наибольший практический интерес представляют железомарганцевые конкреции и фосфориты. По химическому составу конкреции — полиминеральная руда, содержащая ценные металлы: никель, кобальт и медь. Конкреции наиболее распространены в акватории Тихого океана, запасы конкреций в котором оцениваются в 1,5·1012 т. Суммарные ресурсы Индийского и Атлантического океанов равны 1·1011 т. Содержание в конкрециях отдельных элементов во много раз превышает запасы их в месторождениях суши.
Фосфориты. Фосфориты широко распространены на шельфе и частично на материковом склоне Мирового океана. Наиболее крупные месторождения расположены у берегов Калифорнии. Общие запасы сырья оцениваются в 1,5—3 млрд. т. Фосфориты обнаружены у берегов Чили, Перу, Мексики, Аргентины, Японии, Австралии, Мадагаскара, Намибии, Южно-Африканской Республики.
Общие запасы фосфоритов на шельфе составляют не менее 30 млрд. т, но экономически выгодно для разработки лишь 10% этого количества.
При современных темпах потребления фосфоритов в качестве удобрений этого количества хватит на ближайшие 200—1000 лет.
Загрязнение океана. В Мировой океан, занимающий 2/3 общей площади Земли, попадает большинство отходов с суши и атмосферы. По данным ЮНЕСКО, в океан ежегодно сбрасывается 6,5 млн. т фосфора, 2,3 млн. т свинца, 320 млн. т железа.
Нефть и нефтепродукты в настоящее время являются одним из основных видов загрязнения океана. Основные источники поступления — нефтяные скважины, танкеры и речной сток. К особенно тяжелым последствиям приводят аварии нефтеналивных судов. Так, в 1967 г. из супертанкера «Тори-Каньон», севшего на мель у берегов Англии, вылилось в море 117 тыс. т нефти, которая вызвала массовую гибель морских рыб и птиц.
По оценкам специалистов, суммарное количество нефти, поступающей в океан, составляет от 2 до 10 млн. т.
Нефть и нефтепродукты загрязняют огромные пространства, покрывая водоемы тонкой пленкой. 1 т нефти покрывает пленкой 12 км2 поверхности океана. Нефтяная пленка затрудняет газообмен между водой и атмосферой, а в Мировом океане производится более половины всего земного кислорода.
Морские животные (планктон, нектон) могут усваивать растворенную нефть, которая оказывает вредное воздействие также на виды, их поедающие. Нефтяное загрязнение приводит к гибели 1/3 молодых морских организмов.
Нефть погубила бы океан, если бы не было нефтеокисляющих бактерий. Борьба с нефтяным загрязнением сложная и неотложная задача.
С промышленным стоком в океанскую среду попадают металлы — свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма, хром, медь, цинк и ряд других. Многие тяжелые металлы являются токсичными, аккумулируясь в морских организмах, могут вызвать гибель их или сделать опасными для употребления в пищу.
В последние годы в океан стало попадать огромное количество моющих синтетических веществ, которые губят рыбную молодь и водоросли.
Значительно возросло количество твердых отходов: тара, мусор. Так, в районе Гавайских островов, по подсчетам американских специалистов, плавает 35 млн. пустых пластмассовых бутылок. Загрязненность Средиземного моря в 1977 г. по сравнению с 1974 г. полимерными материалами, по оценке советских ученых, возросла в 4 раза.
Беспорядочное загрязнение Мирового океана может вызвать необратимые процессы и привести к гибели флоры и фауны. Защита Мирового океана от загрязнения — проблема международная.
Мировой океан как источник сырья в состоянии обеспечить длительный прогресс человечества при условии сохранения чистоты его вод.
Авторы: И. И. Волков, кандидат химических наук, В. А. Коннов, кандидат химических наук
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник