Добыча твердых полезных ископаемых на шельфе
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
Добыча подводных месторождений
Во многих районах Мирового океана на поверхности и в недрах шельфа и континентального склона выявлены различные ценные полезные ископаемые.
На дне залегают фосфоритовые конкреции — специфические образования, представленные зернами размером от 0,1-0,3 до 2-3 мм, желваками — до 5-10 см, плитами и глыбами весом до десятков и сотен килограммов. Они содержат до 30% окиси фосфора с незначительными примесями молибдена, ванадия, цинка, стронция.
В размещении фосфоритных конкреций проявляются определенные закономерности. Их залежи встречаются на пространствах, ограниченных параллелями 40-42° с.ш. и 50° ю.ш., и приурочены они исключительно к океанским шельфам. В окраинных и внутренних морях они не обнаружены. Скопления конкреций наблюдаются в зонах апвеллинга.
Наиболее богаты фосфоритами южнокалифорнийский и мексиканский шельфы. Эти ископаемые широко распространены у берегов Северной и Южной Америки, от острова Ванкувер до берегов Чили, возле Хонсю, на плато Чатам у Новой Зеландии, на шельфе острова Тасмания, на банках возле Соломоновых островов, на западноафриканском шельфе, от Гибралтара до банки Агульяс, в районе Пиренейского полуострова, у берегов Бразилии и США, на плато Блейк, в шельфовой зоне Аравийского полуострова, Индостана, Северных Андаманских островов, острова Рождества, Мадагаскара, Сокотра и в других районах.
Общие запасы фосфоритных конкреций в Мировом океане достигают 3*1011 тонн. Их запасы на шельфе Калифорнии оцениваются в 2-4 млрд. тонн. При современных и даже более высоких темпах потребления фосфатного сырья океан может обеспечить мировую потребность в нем на ближайшие 1000 лет. Однако промышленная добыча фосфоритов из подводных залежей пока не ведется, так как их качество ниже, чем на суше; технология морских разработок еще не отработана. Исследования показали, что только калифорнийские фосфоритовые конкреции образуют настолько богатые залежи, что их добыча может давать до 50% прибылей на вложенный капитал. Здесь проводится разведка фосфоритовых залежей. Определенный интерес к подводным фосфоритовым месторождениям проявляют Япония, Австралия, Перу и другие страны. В настоящее время морская добыча фосфоритовых конкреций может быть оправданной лишь в районах, где остро ощущается недостаток фосфатного сырья и куда затруднен его ввоз.
Другой вид ценных полезных ископаемых — баритовые конкреции. Они представляют собой образования округлой формы размером от 1 до 20 см и содержат примерно от 75 до 84% сернокислого бария. В качестве примесей в них присутствуют сульфаты стронция и свинца. Эти конкреции обнаружены на шельфе Шри-Ланки, на банке Син-Гури в Японском море и в других районах океана. На Аляске, в проливе Дункан, на глубине 30 м разрабатывается единственное в мире жильное месторождение барита. Его запасы оцениваются здесь в 2,5 млн. тонн, а суточная добыча составляет около 1000 тонн. Баритовое сырье используется в химической и пищевой промышленности, а также как утяжелитель глиняных растворов при бурении на нефть.
В морских осадках на глубинах 2000-6000 метров распространен минерал глауконит, содержащий от 4 до 9,5% окиси калия. Этот минерал считают потенциально возможным сырьем для производства калийных удобрений.
Некоторые виды полезных ископаемых залегают в недрах шельфа. К ним относится сера. Обычно она встречается в соляных куполах, погребенных под слоем осадочных пород мощностью в несколько десятков метров. Потенциальные ресурсы серы в подводных месторождениях оцениваются от десятков до сотен миллионов тонн. В настоящее время серу добывают США в Мексиканском заливе на глубинах порядка 15 метров. Здесь пробурены скважины, через которые к местам залегания серы подается горячий пар или вода. Сера плавится, становится жидкой и под воздействием сжатого воздуха через эти же скважины поступает к трубопроводам и по ним к баржам, где и застывает в охладительных цистернах. Это месторождение дает 20% серы, производимой в США, и 4% ее мирового выпуска. Соляно-купольные структуры с возможным промышленным содержанием серы обнаружены в Персидском заливе, Красном и Каспийском морях.
В прибрежной зоне шельфа расположены подводные месторождения железной руды. Ее добывают с помощью наклонных шахт, уходящих с берега в недра шельфа. Наиболее значительная разработка морских залежей железной руды ведется в Канаде, на восточном побережье Ньюфаунленда (месторождение Ваба-на). Достоверные запасы железной руды здесь оцениваются в 2 млрд. тонн, а ее ежегодная добыча равна примерно 3 млн. тонн. Кроме того, Канада добывает железную руду в Гудзоновом заливе, Япония — на острове Кюсю, Финляндия — у входа в Финский залив. Вместе взятые, эти страны добывают из подводных месторождений 1% от общемировой добычи железной руды. Перспективны шельфы Африки, полуострова Индостан в Азии, Австралии, Южной Америки.
В небольших количествах из подводных шахт добываются медь и никель (Канада — в Гудзоновом заливе, близ Черчилля, и Великобритания — у полуострова Корнуолл). В Турции, на побережье Эгейского моря, разрабатываются ртутные руды. Швеция начала проектные работы по добыче железа, меди, цинка, свинца, золота и серебра из недр Ботнического залива. Разработки предполагается вести шахтным способом на глубине 140-150 м от поверхности дна.
В настоящее время в Мировом океане осваиваются коренные месторождения уже в значительных масштабах. Известно более 100 подводных шахт и рудников, заложенных с берега материков, естественных или искусственных островов для добычи полезных ископаемых погребенного типа. Некоторые из этих рудников и шахт глубиной 100-120 метров удалены от берега на 8 км и простираются до глубин от 30 до 240 метров ниже уровня моря. В перспективе намечается освоение новых подводных месторождений с выходом на большие глубины.
Мировой океан — хранилище колоссальных ресурсов полезных ископаемых. По прогнозам, доля морских месторождений в третьем тысячелетии станет преобладающей по сравнению с месторождениями суши. Выделяют следующие группы полезных ископаемых:
- железо-марганцевые конкреции (ЖМК);
- кобальто-марганцевые корки (КМК);
- глубоководные полиметаллические (колчеданные) сульфидные руды (ГПС);
- фосфориты;
- россыпи (золотоносные, оловоносные, титан-циркониевые и др.);
- строительные материалы (песок, гравий, ракушечник);
- металлоносные осадки;
- газогидраты (углеводороды в твердой фазе).
Наибольшее практическое значение имеют первые четыре группы. В конкрециях, корках, колчеданных рудах и фосфоритах содержится значительное количество нике-ля, кобальта, марганца, меди, цинка, серебра, золота, свинца, фосфора, присутствуют платина, кадмий, редкоземельные и другие элементы.
Общая стоимость ресурсов железо-марганцевых конкреций и кобальто-марганцевых корок составляет около 38 трлн долл., что почти в два раза превышает ценность указанных компонентов в месторождениях суши. Наибольшую ценность представляют кобальто-марганцевые корки и железо-марганцевые конкреции, в которых валовая стоимость кобальта — 4435,8 млрд долл. и марганца — 1661,0 млрд долл. Поэтому именно кобальто-марганцевые корки и железо-марганцевые конкреции являются первоочередными объектами освоения глубоководных минеральных ресурсов.
Доля России в общей площади экономических зон в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах и в валовой стоимости заключенных там ресурсов твердых полезных ископаемых составляет около 10 %. Общая их ценность в зоне особых интересов России достигает почти 1 трлн долл.
В соответствии с Конвенцией по морскому праву, Международный орган по морскому дну (МОД ООН) выделил России в международном районе морского дна (МРМД) в пределах поля Кларион-Клиппертон (Тихий океан) участок морского дна площадью 75 тыс. кв. км с месторождением железо-магранцевых конкреций. Среднее содержание марганца — 27 %, никеля — 1,3%, меди — 1,1%, кобальта — 0,25 %. Предварительная геолого-экономическая оценка его освоения показала, что на выделенном участке прогнозные ресурсы железо-марганцевых конкреций, в которых содержится 142 млн т марганца, 6680 млн т никеля, 5550 тыс. т кобальта оцениваются в 703 млн т, что равноценно запасам двух уникальных месторождений марганца и кобальта и двух крупных — никеля и меди Если бы это месторождение было освоено в наши дни, то оно давало бы от годовой добычи России до 20 % никеля, 100 % марганца (в1991–2000 гг. этот металл в России практически не добывался) и 80–90 % кобальта. В целом это может быть сопоставимо только с гигантами Норильского рудного узла, запасы которого катастрофически тают, а качество руд резко падает.
Зоны особых интересов России, связанные с железо-марганцевыми конкрециями, сосредоточены исключительно в Международном районе морского дна в пределах поля Кларион-Клиппертон Тихого океана и Центральной котловины Индийского океана, где эти конкреции представляют практический интерес.
Железо-марганцевые образования могут рассматриваться не только как рудное сырье, но и как высокоэффективный природный сорбент или высококачественное сырье для синтеза неорганических ионообменных материалов. По предварительным данным, железо-марганцевые образования и продукты их переработки могут эффективно использоваться вместо дорогостоящих синтетических смол для дезактивации малоактивных вод атомных электростанций, сбросовых вод производств цветной металлургии, металлообработки, электролитических производств, извлечения металлов из природных и рудничных вод.
Интересы России в отношении кобальто-марганцевых корок целиком связаны с международным районом морского дна. Причем, наибольшими преимуществами в связи с интенсивным изучением подводных гор Западного сектора северной приэкваториальной зоны Тихого океана обладает Россия. В зоне ее особых интересов, охватывающей Магеллановы горы, поднятия Маркус-Уэйк и Уэйк-Неккер, а также северную часть подводного продолжения Маршалловых островов и островов Лайн, сосредоточено 1,83 млрд т руды кольбальто-марганцевых корок, содержащих 9,9 млн т кобальта и 380 млн т марганца.
Таким образом, Россия может претендовать на весьма существенные ресурсы руд кольбальто-марганцевых корок, однако реальное обладание ими затруднено, так как пока детально изучены только два участка Магеллановых гор. Ресурсы их составляют 777 тыс. т кобальта и 30 млн т марганца, что в два раза меньше ресурсов экономической зоны Японии и в 40 раз меньше ресурсов кольбальто-марганцевых корок в экономической зоне США. Металлогенические ресурсы кольбальто-марганцевоых корок в пределах высокоперспективных рудных полей сосредоточены в Тихом океане.
В пределах Магеллановых гор (северо-западная часть Тихого океана) выявлены потенциальные крупные месторождения кольбальто-марганцевых корок. Содержание кобальта в руде в среднем составляет 0,64 %; средняя мощность корок 6 см ; плотность залегания 75–85 кг/м 2 Прогнозные ресурсы кобальта в кольбальто-марганцевых корок отдельных участков варьируют от 161 до 460 тыс. т и сопоставимы с прогнозными ресурсами Норильской и Уральской никеленосно-кобальтоносных провинций.
Кроме кобальта, практический интерес представляют, в первую очередь, платина, марганец, никель, а также вольфрам, молибден, легкие редкоземельные элементы, иттрий.
К настоящему времени зарубежными и отечественными исследованиями в Мировом океане обнаружено около 50 районов развития глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд. Потенциальная ценность руд, прогнозируемых в Мировом океане (1415 млн т) по пяти основным металлам (медь, цинк, свинец, золото, серебро) составляет 385,3 млрд долл. США. По географо-экономическим соображениям (близость к районам работ и др.) для России наибольший интерес представляют рудные районы Срединно-Атлантического хребта, где сосредоточено 15 % общих ресурсов глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд.
По предварительной оценке, в пределах рудного района можно ожидать выявление нескольких сближенных месторождений, которые могут обеспечить работу морского добывающего предприятия на 20–30 лет при производительности 1,5 млн т руды в год. Переработка руд возможна на действующих горно-обогатительных предприятиях.
Ресурсы глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд России в своей экономической зоне (Командорский и Курильский районы) составляют около 280 млн т, что существенно ниже, чем имеют США и Япония. Здесь содержится около 33 млн т цинка, 2 млн т меди, 32 тыс. т серебра, 3 тыс. т кобальта, 3 тыс. т никеля и 240 т золота.
Россия может увеличить потенциальные ресурсы глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд путем включения в зону своих особых интересов Центрально-Атлантической провинции Международного района морского дна, где нашей стране принадлежит приоритет открытия рудных полей «Полярное», ТАГ, «Мир». В этом случае общие ресурсы глубоководных полиметаллических (колчеданных) сульфидных руд, принадлежащие России в Мировом океане, могут возрасти до 400 млн т руды.
По фосфоритам на долю России (включая фосфориты Балтийского моря) приходится лишь 0,2 % общемировых (около 220 млн т). Тем не менее, интерес представляют фосфориты Охотского и Японского морей.
Месторождения строительных материалов (песчано-гравийные смеси) имеются на Балтийском, Черном и Каспийском морях.
Газогидраты, представляющие собой твердые соединения природного газа, обнаружены в западной части Тихого океана, в Каспийском и Черном морях.
Таким образом, Россия по ресурсам твердых полезных ископаемых Мирового океана находится в среднем положении. Ее ресурсный потенциал значительно уступает потенциалам США и Франции, но превышает потенциалы Китая и Индии.