Полезные ископаемые морских недр нефть и газ
До недавнего времени практически все минеральные вещества — нефть, газ, уголь, черные, цветные и редкие металлы, сырье для химической и строительной промышленности — извлекались исключительно из недр континентов. В связи с уменьшением их запасов на материках все более актуальной становится проблема освоения минеральных ресурсов дна морей и океанов.
Океан является грандиозным хранилищем минеральных богатств. Практический интерес представляют полезные ископаемые, таящиеся в недрах под дном океанов, поверхностные образования континентального шельфа, континентального склона и глубоководного океанического дна. Большую роль могут играть и сами воды Мирового океана. Они содержат в растворенном состоянии огромное количество химических элементов.
По подсчетам ученых, в шельфовой зоне под дном Мирового океана сосредоточено не менее трети мировых запасов нефти. Запасы нефти и природного газа предполагаются также в Черном и Азовском морях. Богатой кладовой нефти и газа является дно Северного Ледовитого океана. Здесь недавно на побережье северной части Аляски обнаружено крупнейшее нефтяное месторождение. Нефтяные месторождения давно известны в Мексиканском и Персидском заливах; найдена нефть в прибрежных районах Африки, Индонезии, Малайзии и др. Большие запасы нефти выявлены в восточной части Бассова пролива (Австралия) и в Бискайском заливе. К настоящему времени на акваториях морей и океанов выявлено более 900 месторождений нефти и газа. Почти 350 из них уже разрабатываются.
Первые шаги в добыче нефти со дна моря сделаны в 20-е годы прошлого века в Бакинской бухте. Здесь, в 20—30 м от берега строили деревянные колодцы, откачивали из них воду и добывали нефть. В 1888 г. в Японии осуществили проходку скважины для добычи морской нефти с деревянного свайного основания. В 1896 г. у берегов Калифорнии пробурили первую морскую скважину методом наклонного бурения с суши. В СССР в 1947 г. в районе Баку началось освоение знаменитого месторождения Нефтяные Камни, удаленного на 80 км от берега. В настоящее время основную часть нефти, добываемой из морских месторождений, получают в Венесуэле, Персидском и Мексиканском заливах. Нефть добывается у берегов Калифорнии, в заливе Кука (Аляска), дельте Нигера и других районах.
В 1975 г. на континентальный шельф приходилась 1/5 всей добываемой в мире нефти — 435,7 млн. т. По предварительным оценкам ученых, в начале 80-х годов мировая добыча морской нефти должна составить более 35% всей ее добычи, а к 2000 г.— не менее 45%.
У побережья Шотландии более 350 лет эксплуатировалась угольная шахта, углубленная в твердые породы морского дна из искусственно насыпанного острова. Шахтным способом разрабатываются недра под водами морей в ряде других стран. В них добывается уголь, железная руда, руды никеля, меди, олова. Глубина шахт колеблется от 30 до 2400 м под дном моря при максимальной глубине воды до 120 м и при удалении от берега до 8 км. В Японии добыча морского угля составляет около 26% от общей добычи угля в стране, в Англии — «Около 10%.
В недрах Мексиканского залива в 11 км от берега Луизианы разведано крупное месторождение серы. Здесь разрабатывается и морское месторождение соли. Добыча серы и соли ведется методом закачки горячей воды под давлением в сероносный или соленосный пласт и вывода расплавленной серы и соли на поверхность по трубам. Большой интерес представляют прибрежные песчаные осадки. В них содержатся переотложенные россыпи тяжелых минералов — железа, титана, хрома, циркония, олова, ниобия, тантала, тория, ильменита, монацита, рутила, глауконита, а также золота, серебра, платины, алмазов, фосфоритов. Такие россыпи, например, содержатся в прибрежных песках, протягивающихся на 1500 км вдоль побережья Австралии. Ильменито-монацитовые и ильменито-цирконовые россыпи обнаружены в прибрежных районах Индии, Бразилии, США, Новой Зеландии, о. Цейлона. В 1961 г. на дне океана вдоль юго-западного побережья Африки открыты богатые месторождения алмазов. В прибрежных водах Калифорнии, Орегона, Канады, Панамы, Чили, Турции, Египта обнаружено золото.
В странах Европы россыпные месторождения тяжелых минералов расположены в прибрежных зонах морей, омывающих берега Норвегии, Дании, Германской Демократической Республики, Польши, Англии, Испании, Португалии и Италии, а также на побережьях Балканских стран. В этих месторождениях содержатся: ильменит, магнетит, рутил, цирконий, монацит, гранат, хромит и другие минералы. В 1 м3 прибрежно-морского песка может содержаться до десятков и сотен килограммов ильменита и рутила.
Развитие современных технических средств создало возможность экономически выгодно разрабатывать месторождения ряда полезных ископаемых в прибрежных частях моря на глубине до 100—200 м и более. Так, прибрежные месторождения Австралии дают основную массу добычи рутила и циркония, а также значительную долю добычи ильменита и монацита. А первоначально эти месторождения разрабатывались как золото- и платиноносные. Около 70 лет добываются золото и платина на прибрежных пляжах Аляски. Разрабатываются африканские месторождения алмазов. В них на 1 т породы приходится до 14 каратов алмазов против 1 карата на 1 т породы на суше. Оловоносные россыпи эксплуатируются в Индонезии, Таиланде, Малайзии. Япония в прибрежных районах добывает железистые и титано-железистые пески.
Среди полезных ископаемых континентального склона наибольшее значение имеют фосфориты н глауконитовые пески, распространенные на глубинах 200—600 м. Они распространены вдоль берегов Африки, Америки, у восточного побережья Австралии, у Новой Зеландии и Японии, Португалии, Франции, Румынии, Шотландии.
Кроме фосфора, полезным компонентом в фосфоритах является примесь циркония, урана и ряда редких элементов. Глауконитовые пески представляют интерес как калийсодержащие минеральные удобрения.
На дне глубоководного океана реально получение в больших количествах марганца, железа, меди, свинца, цинка, хрома, никеля, кобальта, платины. Обширные пространства океанического дна усеяны железо-марганцевыми конкрециями. Химический анализ показал, что они содержат марганец, железо, никель, кобальт, медь, молибден.
Конкреции представляют собой минеральные тела, образовавшиеся благодаря стягиванию вокруг твердых центров (раковин и костей вымерших животных) растворенных в воде различных элементов. Они обнаружены на глубинах от 20 м и до 8 тыс. м, но чаще всего распространены на глубинах 3500—5500 м. Форма конкреций обычно округлая или чечевицеподобная, размеры от 1 до 20 см в диаметре.
Широкое распространение железо-марганцевых конкреций установлено на огромных площадях Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Подсчеты показали, что, например, в восточной части Тихого океана на квадратном километре дна имеется около 11,5 тыс. т конкреций, в западной части — 9,6 тыс., а в центральной — до 20 тыс.
В качестве потенциального минерального сырья рассматриваются глубоководные океанические красные глины. Они покрывают дно океанов слоем мощностью в среднем 100 м на площади около 10 млн. км2. Анализы показали, что в глинах содержится 25% окиси алюминия, 13% окиси железа, 0,2% меди, 0,08% никеля, 0,04% ванадия, 0,02% кобальта. По предварительным подсчетам, в этих глинах содержится 9-1013 т алюминия, около 9-1011 т меди.
Кроме железо-марганцевых конкреций и океанических красных глин, на дне океанов широко распространены также диатомовые и известковые илы. Они могут служить источником добычи кремния и кальция.
Большим содержанием железа, марганца, цинка, свинца, меди, золота, серебра характеризуются высокотемпературные рассолы, изливающиеся на морское дно вдоль осевой линии срединно-океанических хребтов.
Уникальной кладовой минерального сырья являются сами воды Мирового океана. В них содержатся почти все известные в природе элементы.
В океанах сосредоточено около 5-1016 т минеральных веществ. Если извлечь все соли, находящиеся в водах океанов, и равномерно распределить их на континентах, то толщина такого слоя составит более 150—200 м. А если эти соли рассыпать по поверхности всего земного шара, то, по подсчетам академика Л. А. Зенкевича, они покрыли бы земной шар слоем в 45 м. В одном кубическом километре морской воды содержится: 28 ■ 106 т поваренной соли, 1,3• 10б т магния, 3,1-104 т бора, 300 т брома, 79 т меди, 11 т урана и целый ряд некоторых соединений элементов.
Развитие техники существенно приблизит возможности освоения минеральных ресурсов Мирового океана. В результате запасы морских месторождений станут более доступными, чем месторождения суши.
Недра, категории недр
Понятие «недра» имеет несколько толкований. В географии и геологии под недрами понимают:
- часть земной коры, которая расположена под почвенным покровом, или (при отсутствии почвы), ниже земной поверхности, дна водотоков и водоемов, доступных для геологического освоения и изучения;
- часть земли, в состав которой входят полезные ископаемые верхних участков земной коры, где возможна их разработка, добыча и другая человеческая деятельность.
Замечание 1
Недра – это источник минеральных и полезных ископаемых, запасов подземных и минеральных вод. Недра сохраняют глубинное тепло, выступают пространственной основой для размещения разных сооружений и объектов, захоронения радиоактивных веществ и промышленных отходов. Понятие «недра» включает горные породы, вышедшие на поверхность, все полезные свойства, энергетические ресурсы, полости и др.
Нижняя граница недр определяется двумя позициями: ограничение техническими возможностями освоения и продолжительность до центра земного сфероида.
Все недра подразделяются на категории: используемые участки недр и неиспользуемые части недр. В скрытой форме существует деление по различным категориям: участки недр, включающие полезные ископаемые; недра, используемые не с целью добычи полезных ископаемых; участки недр, которые представляют социальный и научный интерес и др.
Полезные ископаемые. Минеральные ресурсы. Топливно-энергетические ресурсы
Определение 1
Полезные ископаемые – органические и минеральные образования земной коры, физические свойства и химический состав которых позволяют активно использовать их в качестве сырья или топлива в сфере материального производства.
Полезные ископаемые могут быть газообразные, жидкие, твердые.
В земной коре полезные ископаемые находятся в виде разного рода скоплений (штоков, жил, пластов, россыпей, гнезд и др.). Скопления ископаемых образуют месторождения, при больших скоплениях формируются районы, провинции, бассейны.
Добыче полезных ископаемых посвящена отдельная область науки и технологии – горное дело.
Полезные ископаемые обладают рядом общих признаков:
- спутниками рудных месторождений являются минералы (для рудного золота – пирит и кварц, для алмазов – пироп, для платины – хромистый железняк и т.д.);
- присутствие минералов обнаруживается в валунах, перенесенных обломках, находящихся на склонах, в руслах водотоков, в ложбинах и пр.;
- прямое наличие в горных выработках, обнажениях, керне;
- более высокий уровень содержания их элементов-индикаторов в минеральных источниках и в растительности.
Определение 2
Минеральные ресурсы – совокупность полезных ископаемых, обнаруженных в недрах земли отдельных регионов, стран и материков, океанического дна, пригодных и доступных для промышленного использования, а также количественно оцененных геологической разведкой и исследованиями.
Минеральные ресурсы – это не возобновляемые природные ресурсы. Минерально-сырьевая база – это подготовленная к освоению часть минеральных ресурсов. Минеральные ресурсы могут рассматриваться с точки зрения горно-геологического аспекта, как совокупность полезных ископаемых, выявленных в недрах, где химические элементы и минералы находятся в высокой концентрации, обеспечивающей возможности их использования в промышленных целях, и с точки зрения экономического аспекта, как сырьевая база для развития важнейших отраслей промышленности (черная и цветная металлургия, топливная промышленность, энергетика, строительство, химическая промышленность).
В недрах Земли минеральные ресурсы распределены неравномерно. Например, более 80% запасов угля развитых и развивающихся стран сосредоточено всего в пяти странах – США, Великобритания, Германия, Австралия и ЮАР, 87% марганцевых руд – в Австралии и ЮАР, 86% калийных солей – в Канаде.
Топливно-энергетические ресурсы представляют собой запасы топлива и энергии в окружающей среде, которые могут быть использованы в практической деятельности человека при производстве материальных благ. К топливно-энергетическим ресурсам относятся: каменный и бурый уголь, горючие газы, нефть, горючие сланцы, дрова, торф, энергия морских приливов, падающей воды рек, ветра, атомная и солнечная энергия.
Вопросы добычи и использования разных видов энергии изучает энергетика.
Принципы классификации полезных ископаемых и топливно-энергетических ресурсов
Минеральные ресурсы по областям использования подразделяются на:
- топливно-энергетические (нефть, природный газ, уголь, торф, горючие сланцы, урановые руды);
- руды черных металлов (марганцевые, железные, хромовые и т.д.);
- руды цветных и легирующих металлов (меди, свинца, алюминия, цинка, кобальта, никеля, молибдена, вольфрама, сурьмы, ртути, олова и т.д.);
- руды редких и благородных металлов;
- гидроминеральные (подземные пресные и минеральные воды – бальнеологические, термальные и др.);
- нерудное индустриальное сырье (графит, слюда, тальк, асбест, кварц и т.д.);
- нерудные строительные ископаемые (строительные камни – гранит, мрамор, базальт, строительные материалы – песок, известняк, глина, шиферные сланцы, стекольное и цементное сырье и др.);
- камнесамоцветное сырье (родонит, яшма, агат, халцедон, оникс, нефрит, чароит и др.) и драгоценные камни (изумруд, алмаз, сапфир, рубин);
- горнохимическое сырье (фосфаты, апатиты, минеральные соли (калийная, каменная, магнезиальная), бораты, барит, сера и ее соединения, флюорит и др.).
Нерудные полезные ископаемые, драгоценные камни, камнесамоцветное и горное сырье могут в совокупности рассматриваться как неметаллические (нерудные) полезные ископаемые.
Среди топливно-энергетических ресурсов выделяют первичные и вторичные ресурсы. Первичные энергетические ресурсы получают непосредственно из природных источников, после чего преобразуют их в другие виды энергии. Среди первичных ресурсов выделяют возобновляемые и невозобновляемые ресурсы.
Вторичные энергетические ресурсы получают в виде побочных продуктов основного производства. Выделяют следующие группы: топливные (горючие) ресурсы – включают энергию технологических процессов термохимической и химической переработки сырья (твердые и жидкие топливные ресурсы, горючие газы, непригодные для дальнейших технологических процессов; тепловые ресурсы представляют собой тепло газов, отходящих при сжигании топлива, тепло воздуха или воды, которые использовали для охлаждения различных агрегатов и установок, а также тепловых отходов производства; ресурсы избыточного напора (давления) – это энергия жидкостей, газов, сыпучих материалов, которые с избыточным давлением покидают технологические агрегаты и которое нужно снижать перед следующим этапом их использования. Энергетические ресурсы преобразуются в механическую энергию.
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.