Добыча полезных ископаемых из недр океана

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

Мировую экономику невозможно представить без такой важной отрасли, как горнодобывающая промышленность. Ее роль в обеспечении сырьем предприятий, перерабатывающих природные материалы, можно рассматривать как бесспорный фактор перспективности их развития. Как кормящая мать, она поставляет своим детям то, что скрывается в недрах земли и океана – руды черных, цветных, легирующих, драгоценных металлов, различные виды энергетического и минерального сырья, вплоть до минеральных вод.

Ни одна страна не может развиваться без потребления тех ресурсов, которые являются конечным продуктом горной промышленности. Нефть, каменный уголь, газ решают проблемы энергетического обеспечения. Добыча металлов и минералов создает возможность развиваться металлургической и агрохимической промышленности. Разработка природных минеральных источников позволяет строить курорты в местах их выхода на поверхность.

Уровень развития горнодобывающей промышленности оказывает прямое влияние на стабильность экономики государства. В последние двадцать-тридцать лет в добыче и первичной переработке природных богатств наметилась тенденция территориального смещения зон добычи из Европы в Австралию, ЮАР, Китай, Бразилию, Канаду. В первую очередь этот процесс связан с изменением системы экономики европейских стран, а также с проведением политики восстановления на их территории экологического баланса, поскольку, как известно, минеральные месторождения не восстанавливаются, а лишь исчерпываются.

Полезные ископаемые на дне Мирового океана

На данном фоне революционно выглядит перспектива добычи полезных ископаемых со дня мирового океана. Учитывая, что потребление всех видов минерального сырья лишь возрастает, перед человечеством встает проблема поиска все новых месторождений природных запасов. По прогнозам специалистов в данной области в ближайшие полвека потребление железной руды, меди, цинка, алюминия возрастет в 1.2 – 1.7 раза, а никеля, нефти и прочих минеральных материалов увеличится в два, а то и три с лишним раза. Чтобы удовлетворить такой спрос, необходимо интенсифицировать горную добычу в пять с лишним раз! В конечном итоге это приведет к полному исчерпанию континентальных месторождений и подвигнет человечество на освоение колоссальных запасов в океане. Здесь интерес притягивает особый вид полиметаллических руд – железомарганцевые образования. Скопления этих твердых полезных ископаемых в зависимости от способа их формирования делятся на консолидированные (т.е. сплошные) и неконсолидированные.

Консолидированные месторождения природных минералов

Консолидированные залежи представляют собой осадок в виде корок на подводных скалах, образовавшийся из морских вод в зонах с повышенной термальной активностью. В них содержится много кобальта, марганца, железа, цинка, а также золота и серебра.

Впервые такие месторождения были найдены на дне Красного моря близ Аравийского полуострова во второй половине прошлого столетия. Проведенные Саудовской Аравией и Суданом исследования, подтвердили наличие на глубине около 2 тыс. м около 100 млн. тонн залежей золота, серебра, цинка и меди. Вслед за этим открытием было установлено еще более двухсот аналогичных крупных скоплений твердых полезных ископаемых. Глубина залегания их варьируется от одной до трех с половиной тысяч метров. Добыча же находящихся в них природных богатств целесообразна всего в двух наиболее крупных. Оба расположены в море Бисмарка и носят названия SuSu и Pacmanus. Первооткрывателями в данной области можно назвать австралийцев, которые в 1997 г. купили у правительства Папуа-Новая Гвинея для проведения изыскательских работ в указанной акватории две лицензии для своей компании Nautilus Minerals Cjrporation. Остальные семь из десяти месторождений также находятся в различных частях Тихого океана. Но есть такие зоны и в Атлантике. В районе 26 градусов северной широты гидротермальные источники «насыпали» целый холм из сульфидов меди, железа и цинка. Trans-Atlantic Geotraverse в высоту достигает 40 м, а его радиус составляет 100 м. Процессу минерализации океанических вод способствуют также действующие подводные вулканы. Такие два участка недавно были найдены в море Бисмарка. Исследователи обнаружили настоящие горы, в которых сконцентрированы большие запасы золота. Это месторождения Коникл Симаунт (Австралия) и Санрайз (Япония).

Неконсолидированные скопления

Неконсолидированные скопления своим формированием обязаны впадающим рекам, которые своим течением приносят либо остатки размытых горных пород, либо их растворенные компоненты. Последние образуют ферромарганцевые и фосфоритные конкреции. Под воздействием поступающих по тектоническим разломам в океанической коре гидротермальных вод с очень высокой температурой (до 350 градусов по Цельсию) растворенные металлы соединяются с содержащимися в морской воде сульфатами, которые затем осаждаются на дно в виде сульфидов меди, цинка, свинца, железа и прочих металлов. Эти концентрированные солевые скопления в зависимости от плотности размещаются в виде слоеного пирога.

Такие месторождения большей частью расположены в водах Атлантического океана. Они характеризуются образованием ферромарганцевых корок, в которых наблюдается очень высокое содержание кобальта. Осаждение частиц пород, вымытых речным течением, происходит, как правило, в местах, где холодные океанические воды встречают на своем пути участки повышенного тепловыделения. Результатом этого взаимодействия является образование ферромарганцевых корок, толщина которых может доходить до 250 мм. В отличие от консолидированных скоплений, корки располагаются на меньшей глубине, которая колеблется в пределах от 800 м до 2500 м. Возможно, что это связано с тем, что в таких зонах практически отсутствует кислород. Хотя есть отклонения в обе стороны: минимум 400 м и максимум 4000 м. В Тихом океане, где глубина составляет 1500-2500 м, его дно практически полностью покрыто такими корками. Они богаты содержанием свинца, висмута, никеля, кобальта, платины, теллура, таллия, и даже в незначительном количестве содержат титан. Причем глубоководные запасы кобальта, никеля и марганца превосходят наземные. Концентрация природных ископаемых в скоплениях превышает 80 %.

Железомарганцевые и кобальтомарганцевые конкреции представляют собой интерес не только в качестве сырья для металлургической промышленности. По своим сорбирующим свойствам они просто уникальны. Их использование в этом направлении может служить недорогим сырьем, которое может произвести очистку вод, сбрасываемых предприятиями цветной металлургии, атомными электростанциями и проч. После прохождения через эти природные сорбенты, газы, образующиеся в металлургическом производстве, практически полностью очищаются от диоксида серы.

Перспективы развития глубоководной отрасли

Содержание такого стратегического сырья, как кобальт, никель, марганец, медь на дне Мирового океана приводит к тому, чтобы в ближайшее время проводить не только разведку мест их залегания, но уже осуществлять их добычу и дальнейшую переработку. Частично эти месторождения находятся в территориальных водах отдельных государств, но их большая часть согласно положениям Конвенции ООН по морскому праву от 1994 г. принадлежит человечеству в целом. Дальнейшая стратегия по освоению глубоководных ресурсов направлена на повышение рентабельности их добычи до 20% и снижению окупаемости капитальных инвестиций. Наиболее перспективными с точки зрения ученых являются месторождения, расположенные в акватории Маршалловых островов.

Особое внимание в настоящее время привлекают обнаруженные подводные золотоносные горы и холмы, которые благодаря относительно небольшой глубине в 1050 м могут стать пионерами в новом направлении горнодобывающей промышленности. Его развитие даст толчок разработке технологий глубоководной добычи ископаемых, а также производству соответствующего оборудования и оснастки. Здесь уже невозможно представить себе освоение месторождений мелкими артелями в небольших копанках, как это происходит еще кое-где на суше. Дорогостоящее оборудование исключает подобные методы. Им на смену приходит дистанционное управление подводными машинами, гидролокаторами, грейферами и другими аппаратами. Глубоководная техника должна быть способна осуществить операции по раздроблению с последующим аккумулированием и подачей на поверхность с помощью гидравлических и пневматических систем полученного сырьевого материала.

Приоритеты в этой области отдаются разработкам полиметаллических сульфидных месторождений и кобальтомарганцевых конкреций. И если методы ведения добычи сульфидов сходны со способами на поверхности земли, то для кобальтомарганцевых корок необходимо использование гусеничной подводной техники или применение абразивно-струйных систем. В настоящее время все научные разработки находятся пока в лабораториях ученых.

Экологическая безопасность океанической добычи полезных ископаемых

Поскольку глубоководная отрасль горнодобывающей промышленности находится пока лишь в теоретических выкладках, сказать определенно, будет ли она более или менее безопасной для экологии, сложно. Существуют предположения, которые поддерживают обе стороны оценки воздействия на экологическое состояние при глубинных разработках месторождений. В любом случае, планируя проникновение в океаническую среду, необходимо предвидеть сохранение ее биологического баланса. Данная отрасль не только наиболее сильно загрязняет окружающую среду своими выбросами в атмосферу. Образующиеся в результате изъятия пород пустоты могут привести к возникновению цунами или каким-либо сдвигам морского дна и другим непредвиденным аномалиям вплоть до нарушения материковой устойчивости. По всей вероятности природоохранные мероприятия, связанные с проведением добычи полезных ископаемых с океанических глубин, будут более финансовозатратными, чем при аналогичных наземных изысканиях.

Тем не менее, учитывая, что мировые запасы некоторых полезных ископаемых могут быть исчерпаны в пределах ближайших двадцати-тридцати лет, человечество вплотную подходит к необходимости ускоренными темпами форсировать проблему самообеспечения природным сырьем. Такие металлы, как, например, олово, медь, цинк, никель исчезнут через 25-30 лет, серебро и золото исчерпаются за 15-20 лет. Даже ресурсы каменного угля подойдут к концу спустя столетие. И тогда только глубоководные разработки смогут обеспечить будущим поколениям живущих единственный источник природного сырья.