Разработка месторождений полезных ископаемых в океане
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.
* ()
В течение многих лет ряд известных экономистов выражал тревожные опасения по поводу темпов использования минеральных ресурсов. В самом деле, статистические расчеты существующих темпов потребления и остающихся запасов сырья применительно к любому историческому отрезку кажутся на первый взгляд устрашающими. Однако, повторяя подобные статистические выкладки по прошествии определенного периода времени, мы убеждаемся, что, несмотря на неуклонное возрастание темпов мирового потребления минеральных ресурсов на душу населения, запасы еще не выработанных полезных ископаемых либо одновременно также увеличиваются, либо их количество остается на прежнем уровне. Прогнозы экономистов, как правило, подкрепленные обильными статистическими данными, учитывают лишь технологические методы прошлого времени. Таким образом, без учета достижений техники крайне трудно количественно оценить и предсказать, каков будет размер и характер использования мировых минеральных богатств в будущем. Поскольку внедрение новейших технологических приемов в производство происходит несколько неравномерно, становится понятным, почему нельзя экстраполировать на будущее статистические данные, рассчитанные с учетом технологии прошлого.
Существующие уже сегодня методы разведки легко позволяют обнаружить скрытые на глубине залежи полезных ископаемых, а известные технологические приемы дают возможность разрабатывать весьма низкокачественные рудные тела. Однако мы обязаны платить за все эти достижения. Технологические нововведения тем самым оборачиваются дополнительной стоимостью при производстве минеральных продуктов. До тех пор пока в результате исследовательских работ стоимость продукции снижается, исследования окупают себя. Однако может оказаться, что при повышении эффективности производственных операций, в конце концов, будет достигнута точка, когда полезная отдача уменьшится. В этом случае выделенные на исследовательские работы средства не дадут желаемых экономических результатов. Тогда вновь должны будут увеличиться производственные расходы, поскольку поиск и эксплуатация новых залежей полезных ископаемых на суше будут сопряжены с возросшими трудностями.
На земном шаре осталось немного территорий, где ныне можно было бы открыть крупные месторождения минерального сырья. К их числу принадлежат, например, северные области Северной Америки: в этих районах в течение ряда лет ведется разработка промышленно ценных минералов. К сожалению, суровые климатические условия создают бесконечные трудности, связанные как с самой разработкой этих месторождений, так и с проблемой транспорта добытых руд.
Существует еще одна область на земле, которая могла бы служить источником многих промышленно ценных минералов, – это океан. И, хотя океан является одним из важнейших поставщиков соли в течение того долгого периода истории, когда на суше добывают полезные ископаемые, эксплуатация его проводится относительно слабо по сравнению с потенциальными возможностями. Можно предположить, что основные причины такого положения связаны прежде всего с отсутствием информации о том, каковы же в действительности минеральные ресурсы океана, насколько богаты отдельные океанские залежи полезных ископаемых и насколько легко и эффективно удается их разрабатывать. Несмотря на то что проблемы, связанные с освоением минеральных богатств океана, представляются многим устрашающе сложными, тем не менее технологические возможности их преодоления являются на порядок менее трудными, чем, например, выведение человека на околоземную орбиту, а стоимость связанных с ними затрат меньше примерно на три порядка.
В начале 1958 г. по инициативе Института морских ресурсов при Калифорнийском университете были предприняты исследования технических и экономических аспектов добычи и переработки донных морских осадков. Выводы, сделанные на основании этих исследований, показывают, что стоимость получения многих промышленно важных металлов из этого сырья составляет 50-75% от стоимости производства тех же металлов из материковых месторождений. Последующие исследования промышленных концернов подтвердили основные выводы исследований Калифорнийского университета. Их результаты столь обнадеживающи, что дают основания для дополнительного расходования миллионов долларов на конструирование и создание оборудования и методов разработки месторождений на дне океана.
В конце концов международная обстановка и рост населения в мире заставят большинство стран с высокоразвитой промышленностью приступить к добыче многих видов минерального сырья из моря. В связи с этим автору хотелось бы обратить внимание на весьма важные технические данные и экономические расчеты, которые указывают, что даже при современных затратах и ценах (1964 г.) рентабельно разрабатывать на дне океана такие виды сырья, как фосфаты, никель, медь, кобальт и даже марганец, И автор твердо верит, что в течение жизни следующего поколения из моря будут извлекать не только упомянутые выше металлы, но и молибден, ванадий, свинец, цинк, титан, алюминий, цирконий, а также ряд других металлов.
В океане силы природы в грандиозных масштабах сепарируют и концентрируют элементы, поступающие в морскую воду. Формирующиеся в этих условиях минералы нередко встречаются в виде высоких концентраций на дне моря, в пелагических, то есть удаленных от суши, областях океана, где отлагается сравнительно ничтожное количество кластического материала, обычно разбавляющего химические осадки. На рис. 73 показаны отношения концентраций элементов в пелагических осадках Тихого океана к их концентрациям в изверженных породах суши. Эти отношения объясняют, почему океанские осадки, по всей вероятности, будут использоваться в первую очередь. В пелагических осадках содержатся в среднем десятикратно большие количества промышленно ценных металлов по сравнению с изверженными породами суши. Осадки океанского дна характеризуются с точки зрения их разработки целым рядом положительных особенностей. Как полезные ископаемые, они являются “политически независимыми”: за их добычу не требуется уплата аренды, эти осадки пользуются широким распространением вблизи подавляющего большинства рынков сбыта и они в равной мере доступны для всех государств. Помимо этого, рассматриваемые материалы представляют собой тонкозернистые рыхлые осадки, что позволяет использовать для их разработки автоматические гидравлические системы.
Рис. 73. Отношение средних концентраций элементов в тихоокеанских пелагических осадках к концентрациям тех же элементов в изверженных породах (Goldberg, Arrhenius, 1958). Амплитуда отношений изображена горизонтальными отрезками, а моды – вертикальными штрихами, секущими эти отрезки.
И все-таки, несмотря на все преимущества, имеется немало причин, которые объясняют, почему еще нет особого стремления начинать разработку морских минеральных ресурсов в сравнительно большом масштабе. В настоящее время отмечается хорошо сбалансированная ситуация в отношении обеспечения и потребления большинства видов минерального сырья, которая, по всей вероятности, сохранится еще в течение некоторого времени. Несмотря на то что, судя по прогнозам, запасы многих промышленно важных полезных ископаемых обеспечат наши потребности лишь в течение ближайших 30-40 лет, такая же ситуация была и 30 или 40 лет назад. В тех случаях, когда имеющиеся запасы какого-то полезного ископаемого начинают истощаться, стоимость этого вида сырья, естественно, увеличивается, что указывает на непрекращающуюся в нем потребность. И тогда инициативные компании либо начинают поиски новых месторождений, либо приращивают запасы старых залежей за счет разведки низкокачественных, забалансовых месторождений, либо усовершенствуют технологию переработки сырья, либо повышают на него цены. Таким образом, эти компании обеспечивают промышленность запасами сырья еще на 20 или 30 лет.
Огромные успехи, достигнутые учеными и инженерами в повышении эффективности использования минеральных запасов суши, не дают нам сколь-либо серьезных оснований считать, что минеральные компоненты моря будут разрабатываться лишь в связи с их отсутствием на материках. И если мы все же приступим к разработке минерального сырья из моря, то только потому, что это будет обусловлено меньшими эксплуатационными расходами в сравнении со стоимостью добычи аналогичных полезных ископаемых из месторождений на континентах. Вполне естественно, что эксплуатация минеральных богатств океана связана не только с условиями спроса и предложения. Не меньшее значение имеют и такие факторы, как международная политическая обстановка, налоговая ситуация, экономические системы, стремление сберечь участки дикой природы в целях здравоохранения, а также желание сохранить отдельные районы суши как жизненные пространства.
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.