Добыча полезных ископаемых в морских условиях
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.
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