Добыча полезных ископаемых со дна 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.
Согласно последнему докладу в июле 2018 года, Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) предупреждает, что с каждым годом добыча полезных ископаемых с морского дна оказывает катастрофические последствия для морских обитателей.
На дне мирового океана содержится огромное количество уникальных и необычных видов животных, также там своя исключительная среда обитания и экосистема. Помимо этого, мировой океан обладает гигантскими запасами полезных ископаемых.
Человечеством в 1970-1980 предпринимались попытки добывать эти ресурсы с морского дна. Но юридические неопределенности, огромные финансовые затраты в совокупности с низкими ценами на металлы постоянно тормозили данный процесс добычи.
В настоящее время юридические пробелы практически устранены, а технология морской добычи усовершенствована и быстро развивается.
Суть доклада предполагает усовершенствовать существующую нормативно – правовую базу, которая позволит избежать долгосрочного ущерба морской среде на основе высококачественных оценок воздействия на окружающую среду и стратегий смягчения негативных последствий.
Все это в свою очередь должно основываться на комплексных базовых исследованиях для улучшения понимания глубоководных районов, которые еще недостаточно изучены или не изучены вообще.
По мнению экспертов МСОП, разрабатываемый в настоящее время «Кодекс о недрах и недропользовании» не обладает достаточными сведениями о глубоководных районах.
Также отсутствует тщательная оценка экологических последствий при горных работах, которая необходима для обеспечения эффективной охраны жизни существ в глубоководных местах.
«Мы работаем в темноте», — утверждает Карл Густав Лундин, руководитель глобальной морской и полярной программы МСОП. Наше нынешнее понимание морских глубин не позволяет нам эффективно защищать существующую там жизнь от горных работ.
И все же сегодня контракты на разведку дна мирового океана предоставляются даже для тех районов, где локализуются очень уникальные виды. Эксплуатация полезных ископаемых с использованием современных технологий может навсегда разрушить богатую глубоководную жизнь, принося пользу лишь немногим и игнорируя будущие поколения.
Ещё одним фактором риска является постоянный рост коммерческого интереса к глубоководным месторождениям полезных ископаемых в результате прогнозируемого роста спроса на медь, алюминий, кобальт и другие металлы.
Эти ресурсы используются для производства высокотехнологичных устройств, таких как смартфоны, планшеты, солнечные панели, электрические аккумуляторные батареи.
Пока эмпирических данных о воздействиях на экосистему при глубоководной добычи мало, но потенциальные последствия вызывают беспокойство.
К ним ученые относят непосредственный физический ущерб морским местам обитания: вспахивание океанского дна при помощи техники (подобно вырубке леса) приводит к смешиванию первичного грунта с остальными донными отложениями на морском дне. Эти действия сделают воду мутной и могут привести к удушью обитателей. Дополнительное негативное воздействие оказывают:
- токсичное загрязнение в результате утечек и разливов;
- шум и вибрация, а также замусоривание акватории от горно-шахтного оборудования и надводных судов.
Уже в 2018 году Международный орган по морскому дну выдал 29 контрактов на разведку в глубоководных районах на условиях, обеспечивающих экологически чистую деятельность.
Ожидается, что коммерческая добыча в международных водах начнется не ранее 2025 года. Извлекать полезные ископаемые уже начали в национальных водах Японии в 2017 году. Также коммерческая добыча полезных ископаемых прогнозируется в 2020 году в Папуа-Новой Гвинее.
Кристина Гьерде (Kristina Gjerde) старший специалист МСОП по морским и полярным программам надеется, что разрабатываемые правила для коммерческой глубоководной добычи будут должным образом понятны и обсуждены на публике, а последствия подводных операций будут строго оценены.
Все меры предосторожности для защиты морской среды обязаны стать основной частью любых правил добычи полезных ископаемых, чего на данный момент в действительности не существует. В дополнение к этому, сложный и противоречивый мандат Международного органа по морскому дну потребует улучшения надзора со стороны международного сообщества для обеспечения надлежащей защиты мирового океана.
Ученые из Университета Дьюка (Duke University, США) призвали обратить внимание на то, как подводная добыча полезных ископаемых может отразиться на целостности экосистемы океанов. Эксперты высказали опасения, что из-за разработки подводных залежей полезных ископаемых могут пострадать редкие малоизученные виды морских обитателей, пишет издание The Verge.
Сейчас активной добычей полезных ископаемых со дна океана занимается Япония. В районе самого крупного острова японского архипелага Рюкю, Окинава, на глубине 1,5 км ниже уровня моря находится “месторождение” драгоценных металлов. Там действуют гидротермальные источники, так называемые черные курильщики, через которые в океан попадает высокоминерализованная горячая вода, содержащая частицы металлов. При контакте с холодной водой они оседают на дне океана. Глубоководная горнодобывающая промышленность страны получает на этом месторождении цинк, золото и другие металлы, которые используют в производстве смартфонов.
Гидротермальные источники были обнаружены в 1970-х гг. и с тех пор остаются объектами пристального внимания ученых. Территорию рядом с ними населяют различные живые сложные существа, о которых практически ничего не известно. Они существуют на основе хемосинтеза (организмы для построения своего тела используют неорганические вещества почвы, воды и воздуха). В восточной части Тихого океана вокруг гидротермальных источников живут огромные черви, а в юго-западной части – два уникальных вида улиток. Возле “черных курильщиков” у Антарктиды живут крабы-йети (Kiwa hirsuta), получившие свое имя из-за внешнего вида – они белые и полностью покрыты ворсинками. Это не волосы в привычном понимании, а перистые щетинки, в которых живут бактерии, очищающие воду из источников от содержащихся в них ядовитых веществ. Есть мнение, что этими же бактериями питаются крабы.
“Там встречается много странного и удивительного. Это самое близкое соприкосновение человечества с чужеродными формами жизни”, – считает эколог, профессор Университета Дьюка Эндрю Талер (Аndrew David Thaler).
Добыча полезных ископаемых может поставить под угрозу существование уникальных видов живых существ, поскольку разработка предполагает измельчение породы для доставки ее на поверхность. “Иного способа нет. Что бы там ни добывалось, все живое уничтожается”, – добавляет Талер.
Восстановление “черных курильщиков”
По словам эколога, “черные курильщики” умеют восстанавливаться. Так, из опыта наблюдений Талер знает, что после извержений подводных вулканов источники постепенно восстанавливаются и вновь начинают функционировать спустя примерно десятилетие. Однако, как отмечает Синди Ли ван Довер (Cindy Lee Van Dover), профессор Университета Дьюка, неизвестно, какой объем разрушений смогут выдержать отверстия гидротермальных источников во время добычи полезных ископаемых.
Кроме того, источники содержат токсичные химические вещества – свинец и мышьяк. Неизвестно, что будет с окружающим их животным миром и ближайшими прибрежными зонами, если случится авария при добыче и произойдет разлив.
Регулирование работ на дне
За тем, как ведутся подводные разработки полезных ископаемых, следит Международный орган по морскому дну (International Seabed Authority, ISA) – организация, созданная на основании Конвенции ООН по морскому праву. ISA выдала 25 контрактов странам на подводную разведку полезных ископаемых. Никаких крупных разработок пока не ведется, поскольку организация еще не выяснила до конца, как именно глубоководная добыча влияет на природу. ISA взяла на себя обязательство к 2020 г. разработать кодекс экологических нормативов разработки полезных ископаемых. Как предположило издание The Verge, к 2025 г. в океане могут появиться крупные разработки подводных месторождений.
Талер убежден, что человечество должно сделать все возможное, чтобы защитить гидротермальные источники, поскольку они могут послужить источниками уникальных знаний о планете и природе. “Странные существа живут в абсолютной темноте, среди токсичных веществ. Глубоководный мир – наше космическое пространство. Но оно полно живых существ, которые живут вопреки всему, бросая вызов нашему восприятию жизни”, – говорит Талер.
Материал предоставлен проектом “+1”.
Права
Разделение морского пространства регулируется Конвенцией ООН по морскому праву, которая была принята в 1982 году и действует с 1994-го. Она выделяет, прежде всего, территориальные воды (12 морских миль — 22 км), где действует правовой режим соответствующего государства, а также пространство его эксклюзивной экономической зоны (370 км), где то же государство сохраняет исключительное право на разведку и разработку ресурсов моря и дна. В некоторых случаях эта зона может быть расширена в пределах континентального шельфа, но не далее 350 миль (650 км) от берега. Следом начинается «юридически открытое море», область международного права.
Статус этих районов определен в 136-й статье Конвенции по морскому праву, которая объявляет ресурсы международного дна общим наследием человечества. Регулированием их исследований и эксплуатации занимается Международный орган по морскому дну (МОМД). Он же заботится и о сохранении среды, что закреплено в 145-й статье конвенции. МОМД включает экспертов из 167 стран и к настоящему моменту одобрил только 29 проектов по разведке и добыче подводных месторождений. 17 из них связаны с полиметаллическими конкрециями, большинство других — с разработкой неглубоко залегающих сульфидных руд. В 2001 году лицензию получила «Южморгеология», главное предприятие РФ, занятое освоением минеральных ресурсов международного района дна.
Тем временем многие государства сами присматриваются к возможностям добычи в пределах собственной эксклюзивной экономической зоны. Совместное предприятие Саудовской Аравии и Судана в 2020 году планирует начать разработку металлических залежей неглубоко на дне Красного моря. Канадская фирма Diamond Fields International уже добывает алмазы из океана у побережья Намибии, а канадская же Nautilus Minerals готовится к работе в море близ Папуа — Новой Гвинеи. Здесь, всего в 25 км от берега, на глубине чуть больше 1,5 км разведаны сульфидные руды, содержащие золото, серебро, цинк и другие металлы. По словам представителя Nautilus Minerals, местные залежи меди в 10−15 раз богаче обычных месторождений суши.
Национальные юрисдикции территории Мирового океана
Машины
Каким бы ни было подводное месторождение, его эксплуатация требует соответствующей (подводной!) горнодобывающей и горнопроходческой техники, а также системы подъема руды на корабль поддержки. Для доставки тяжелых металлических конкреций разрабатываются конвейерные системы, напоминающие вертикальные поезда вагонеток. Однако новогвинейское месторождение Solwara содержит сульфидные руды, дробящиеся сравнительно легко. Поэтому в Nautilus Minerals планируют использовать 12-дюймовый жесткий трубопровод, оснащенный поршневым насосом производства американской GE Hydril. Для подачи породы к этому «подводному пылесосу» разрабатывается специальная машина, разумеется, роботизированная.
Что бы мы ни добывали на морском дне, работать придется на приличной глубине, и техника для этого желательна именно беспилотная. В Папуа — Новой Гвинее будет трудиться целая бригада таких роботов: это и мощная фрезерная машина, предварительно расчищающая дно, и отдельный фрезер для добычи и измельчения породы, который сможет разрабатывать верхний слой на глубину около 10−12 м, и сборщик пульпы. На судне поддержки она будет освобождаться от избытков воды и перегружаться на баржи для доставки на берег, на перерабатывающий завод. При этом лишнюю воду добытчики обещают закачивать обратно, на ту же глубину, чтобы минимизировать перемешивание жидкости разной температуры и плотности, которое грозит нарушить жизнь океанских экосистем.
Добыча минеральных ресурсов океанского дна: технологии и опасности
Жизнь
Глубоководные районы занимают около половины площади планеты, но на них приходится до 95% общего объема биосферы. К сожалению, погружение на такую глубину связано с огромными техническими трудностями, поэтому мы до сих пор смутно представляем себе и местную жизнь, и те опасности, которые несет для нее эксплуатация местных ресурсов. Например, конкреции абиссальных равнин создают редкую на сыпучем дне твердую опору, которая исключительно важна для здешней фауны, от губок до ракообразных. Склоны срединно-океанических хребтов обеспечивают минералами бесчисленных жителей верхних слоев океана, служат местами обитания рыб и морских млекопитающих.
По словам представителей компании Diamond Fields Resources, ведущей добычу алмазов со дна Атлантики у берегов Намибии, уже тестовые заборы породы, проводившиеся в течение двух месяцев 2016 года, принесли 26 965 карат драгоценных камней.
«Черные курильщики» и вовсе населены уникальными организмами, которые порой не встречаются больше нигде в мире. Биологи находят здесь десятки новых видов каждый год и не без оснований опасаются, что после выработки такого месторождения местные экосистемы колонизуют уже совершенно другие существа, прежде здесь не жившие. Вдобавок, многие глубоководные жители отличаются исключительно медленным ростом и большой продолжительностью жизни. Достаточно назвать рекордсменов среди позвоночных — гренландских акул, возраст которых, по некоторым оценкам, может превышать 500 лет. Такие популяции чрезвычайно чувствительны к любому вмешательству извне.
В настоящее время на земном шаре ежегодно добываются миллиарды тонн полезных ископаемых. При существующем объеме добычи полезных ископаемых из недр Земли, приуроченных к суше, может хватить, по определению ряда специалистов, лишь на первые сотни лет, а по некоторым ископаемым – лишь на первые десятки лет. Истощение запасов обуславливает вовлечение в разработку все более бедных по содержанию месторождений полезных ископаемых со сложными горно-геологическими и гидрологическими условиями, освоением месторождений в отдаленных и необжитых районах с неблагоприятными климатическими и метеорологическими условиями.
В то же время 2/3 территории земной поверхности покрыто морями и океанами, на дне и в водах которых сосредоточено большое количество запасов минерального сырья. Мировой океан является большим потенциальным источником для получения полезных ископаемых как за счет непосредственного их извлечения из морской воды, так и главным образом за счет добычи полезных ископаемых на громадных территориях, покрытых морями и океанами.
Еще задолго до нашей эры на побережьях морей и океанов добывалась пищевая соль, многие века славился янтарь с пляжей Прибалтики, более 100 лет производят добычу нефти и газа со дна морей и океанов. Однако лишь в последние десятилетия в связи с общим развитием науки и техники стали выявляться серьезные перспективы добычи твердых полезных ископаемых поводным способом. Интерес к полезным ископаемым морей и океанов в наши дни не случаен: многие месторождения суши истощаются;
быстрый рост населения земного шара, а вместе с ним и потребностей в производстве средств производства и предметов потребления заставляет искать новые источники минерального сырья;
гигантский скачок в развитии науки и техники в последние годы дает возможность добраться до недоступных прежде богатств морей и океанов и разрабатывать их;добыча некоторых видов полезных ископаемых, залегающих на морском дне, экономически выгоднее, чем на суше.
Экономическая целесообразность подводной добычи полезных ископаемых обеспечивается радом преимуществ:
отпадает необходимость отчуждения земель и последующей их рекультивации; при разработке подводных месторождений не нужны подъездные пути;многие из таких месторождений не нуждаются в оборудовании отвалов и различного рода хранилищ;
значительно уменьшаются затраты по вскрытию месторождения;
не нужно производить больших трудоемких и дорогостоящих взрывных работ, тратить средства на приобретение взрывчатых веществ, сложного оборудования и т.д.
Подводная добыча – разработка полезных ископаемых дна рек, озер, морей и океанов. Подводная добыча – извлечение полезных ископаемых из подводного забоя на поверхность комплексом механизмов и оборудования, работающего в водной среде, с целью получения, переработки и использования основных и сопутствующих компонентов месторождения. Подводная добыча осуществляется открытым (драги и земснаряды) и подземным (горные выработки под дном и буровые скважины) способами. Условно к подводной добыче относят извлечение полезных компонентов из морской воды (физико-химическое выделение солей и химических элементов).
При подводной добыче открытым способом выделяют следующие производственные процессы: 1) отделение добываемого сырья от массива месторождения; 2) доставка от заборного механизма до плавающего или стационарного средства (судна, баржи, понтона, платформы); 3) первичная обработка сырья (грохочение, сепарирование, промывание и т. д.); 4) хранение и транспортировка для последующей переработки. Первый этап осуществляется механическим, гидравлическим, пневматическим способами или их сочетанием. При механическом способе применяют бульдозерные лопаты, шнеки, грейферы, ковши и т. п., при гидравлическом и пневматическом – гидромониторы, эрозионные насадки, сифоны, насосы.
Работы второго этапа ведут с помощью грейферов, ковшовых цепей, шнековых и ленточных конвейеров, напорных насосов, эрлифтов, эжекторов.
Третий этап связан с работой грохотов, гидроциклонов, сепараторов. На четвертом этапе необходимы хранилища, а также средства транспорта (суда, баржи, трубопроводы). В зависимости от горно-геологических и гидрометеорологических условий, глубины разработки и вида полезного ископаемого применяются различные технические средства, а также способы подводной добычи. Преобладающим фактором является глубина моря. Различают добычу: мелководную при глубине воды не более 5 – 10 м; в пределах шельфа с глубиной до 100 – 200 м; свыше 200 м до предельных глубин океана (моря). В двух первых зонах добывают: строительные материалы, драгоценные камни и металлы, полиметаллические и железосодержащие пески, сырье для химической промышленности, энергетическое сырье. Третья зона перспективна для добычи конкреций, нефти и газа.
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 (рис. 16.4.).
В Ленинградской области началась добыча марганца со дна Финского залива. ООО «Промтрак», ведущее разработку, планирует обеспечить 5-7% потребности России в марганце, импортируемом сейчас из стран СНГ и дальнего зарубежья. Завод построен в промышленной зоне города Кингисеппа. Сейчас ведется опытно-промышленная эксплуатация.
В России крупных месторождений марганца нет, до 90% этого металла закупается за рубежом. Ближайшие месторождения – в Грузии, Казахстане и Украине. Но огромные запасы марганца находятся на дне морей и океанов (больше всего его в Тихом и Индийском океанах).
Большой интерес представляют источники богатые различными элементами – горячие подводные гейзеры, или «чёрные курильщики».
В них морская вода сначала просачивается по трещинам на большую глубину, там нагревается до нескольких сотен градусов, обогащается минералами и вырывается наверх, вынося густую взвесь, богатую минералами, которая разносится течением и оседает в окрестностях. Так возникают километровые холмы, богатые металлами. Извлечение таких полезных ископаемых ведётся также как и добыча россыпей.
При подводной добыче подземным способом производственные процессы аналогичные с процессами подземной добычи полезных ископаемых, приуроченных к суше. На большинстве подводных рудников стволы закладываются на суше, вследствие этого откаточные выработки имеют протяжённость до 10 км. Применяют вскрытие шахтных полей стволами с искусственных островов (например, рудник «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. Таким способом производят добычу каменного угля в Японии, Канаде, Англии, Шотландии, Турции, Китае и на острове Тайвань.
Чаще всего морские месторождения представляют собой продолжение, скрытых в недрах суши.
Хорошо развита добыча из подводных шахт железной руды, которая ведется в Японии на острове Кюсю, в Австралии, в Канаде в Гудзоновом заливе и на острове Ньюфаундленд (здесь для извлечения руды сооружен искусственный остров), а также в Финляндии, у входа в Финский залив.
Значительно реже встречаются подводные рудники, где разрабатываются руды меди и никеля, олова и ртути. В Канаде, в Гудзоновом заливе, близ г. Черчилл, добывается медь и никель, в Великобритании, на полуострове Корнуолл, – медь, никель, и олово.
В Турции под дном Эгейского моря разрабатываются месторождения ртутных руд.
К подводной добыче 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 2×1016 т натрия, около 2×1015 т магния, около 1,3×1014 т 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.