Добыча полезных ископаемых в океане с глубины
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.
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”.
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.
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.