Добыча полезных ископаемых из вод мирового океана
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.
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.
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.