Железомарганцевые руды: безопасная добыча в океане
Е.С.Базилевская, С.А.Мошаров
Елена Сергеевна Базилевская, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН. Специалист в области океанского рудоге-неза.
Сергей Александрович Мошаров, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник того же института. Область научных интересов — экология океанской среды.
Немногим более полувека прошло с тех пор, как начались активные научные исследования в Мировом океане. В Советском Союзе в послевоенные годы для этих целей переоборудовали поднятый со дна и восстановленный трофейный корабль. Долгое время он успешно работал в Мировом океане под именем «Витязь». С ним связано много новых открытий, в том числе и первые исследования железомарганце-вых конкреций (ЖМК) в северной приэкваториальной области Тихого океана между раз-ломными зонами Кларион и Клиппертон (рис.1). Впоследствии здесь усилиями научно-исследовательских судов международного сообщества была выделена самая крупная в Мировом океане рудная провинция с большим скоплением конкреций, богатых Мп, а также N1, Си, Со и другими микроэлементами. В общей сложности до трех четвертей элементов таблицы Менделеева сорбируется в конкрециях гироксидами марганца и железа, но особенно высока сорбционная емкость марганца.
Значительная часть наземных месторождений этих металлов близка к истощению, запасы их исчисляются двумя-тре-мя десятилетиями добычных работ, соответственно растет и их стоимость. Учитывая, что данные металлы представляют собой стратегическое сырье, до© Базилевская Е.С., Мошаров С.А., 2011
быча их со дна океана представляется неизбежной.
Между тем научная изученность океанских руд не соответствует тем темпам, с которыми мировое сообщество уже в 2015 г. готовится к освоению океанских сокровищ в промышленных масштабах. Россия же сможет приступить к добыче не раньше 2020-2030 гг. [1]. Это вызывает сожаление, поскольку мы одними из первых в свое время подали заявку на два закрепленных за СССР участка суммарной площадью в 75 тыс. км2, что составляет около 2.5% всей
площади рудной провинции и соответствует нашему вкладу в ее общее изучение. Однако последовавший затем многолетний застой в морских исследованиях океанских Бе-Мп-руд и технологических разработках их добычи отбросил нашу страну на несколько лет назад. Заметим, что стоимость металлов в конкрециях только на одном нашем заявочном участке площадью в 40 тыс. км2 оценивается в 350 млрд долл. (в ценах мирового рынка на 2001—2005 гг.), причем сюда не входит стоимость самого марганца.
Рис.1. Схема раздела рудной провинции Кларион-Клиппертон на поля Fe-Mn-конкреций между ведущими странами мира и международными консорциумами: Участки, зарегистрированные за первоначальными вкладчиками: 1 — Россия (показано стрелками), 2 — Франция, 3 — Германия, 4 — Китай, 5 — Корея, 6 — Япония, 7 — СО Интерокеанметалл (принадлежащее России на долевой основе), 8 — участки, находящиеся под контролем Международной организации по морскому дну. Незакрашенные площади — участки, на которые претендуют международные консорциумы.
Экологическая опасность современных методов добычи
В Конвенции Организации Объединенных Наций по морскому праву (МОД ООН), принятой в 1982 г., уделяется особое внимание важнейшему значению защиты и сохранения морской среды. Одна из 17 составляющих Конвенции (часть XII) целиком посвящена этой теме и содержит призыв к глобальному и региональному сотрудничеству в оказании технического содействия, проведении мониторинга и экологической оценки предстоящих разработок. Только соблюдение общепринятых международных норм может сохранить под контролем чистоту океанской среды.
Международный орган по морскому дну (International Seabed Authority) определил три типа деятельности, которые имеют потенциально опасные экологические воздействия: это разведка залежей промышленного масштаба, мелкомасштаб-
ные и прототипные испытания промышленных добычных систем и металлургическая обработка, если она будет происходить в районе залежей [2].
Сейчас перед странами-участницами проекта по добыче конкреций в рудной провинции Кларион-Клиппертон стоит одна общая проблема — как добыть богатства, не навредив окружающей среде. Разработка технологий добычи конкреций ограничивается различными способами подъема их на борт корабля. Наиболее популярные — эрлифтная система с непрерывной цепью черпаков и метод гидроподъема. Первый способ, помимо малой производительности, сопровождается отмывкой конкреций от вмещающей породы на добывающем судне и сбросом ее в подповерхностные горизонты океанской воды. Второй — предполагает предварительную отмывку гидросмеси конкреций от вмещающей породы в придонном трубопроводе (затем должна производиться откачка
отработанной пульпы и укладка ее на дно).
Оба метода негативно влияют на экологическое состояние океанской среды, и в первую очередь на поверхность и толщу донных осадков и прилегающий водный слой (бенталь). В провинции Кларион-Клип-пертон глубоководные (более 4 тыс. м) донные сообщества существуют и эволюционируют в слое, расположенном ниже пелагических морских экосистем, от которых они зависят в пищевом плане. Глубоководные участки морского дна составляют примерно половину поверхности Земли. Как правило, температура воды там не превышает 2—4°С, что ограничивает накопление питательных веществ. В таких условиях обитают самые различные организмы — большей частью беспозвоночные (черви и моллюски), причем плотность их популяций невысока. В ходе эволюции эти сообщества приобрели способность выживать на скудном детрите, осаждающемся от
обитающих выше пелагических сообществ.
Можно выделить три вида экологических последствий разработки залежей конкреций на океанском дне, которые в различной степени способны причинить ущерб бентосным (глубоководным донным) живым организмам [3 — 5]. Во-первых, происходит физическое уничтожение животных, попадающих в полосы прохождения добычного устройства. Во-вторых, организмы будут погребены под слоем взмученных и перераспределившихся осадков. Укладка обратно на дно отработанной при гидроподъеме пульпы сформирует по существу мертвые «мостовые» на месте сложнейшей экосистемы глубоководных осадков, существующих в тесном взаимодействии с океаническими водами. В-третьих, возможно изменение физических и химических условий среды обитания. На дне взмученные осадки негативно влияют на жизнедеятельность бентосных организмов, забивая их фильтрующую пищевую систему. Удаление верхнего слоя осадков, наиболее обогащенного органическим веществом (оседающим из верхних слоев океана), резко снижает количество пищи для бентосных организмов. Кроме того, взмучивание осадка при добычных работах может привести к разрушению глубоководного придонного кислородного слоя и нарушению существующего равновесия в окружающей среде. Как правило, рудные поля первоочередного освоения находятся в зонах с повышенным содержанием растворенного кислорода в морской воде, связанного с низкой температурой воды на глубинах 4—6 км.
Отмывка конкреций от субстрата на палубе, а также неизбежное загрязнение воды добывающими судами могут нарушить привычное состояние верхних слоев водной толщи: увеличится мутность воды, что ухудшит условия для фотосинтеза; изменятся окислительно-
восстановительные свойства среды и снизится активность и разнообразие живых организмов; увеличится накопление токсичных тяжелых металлов.
Непродуманное и малоизученное влияние антропогенного вмешательства может повлечь за собой негативные последствия, вплоть до стимулирования экологических катастроф. К сожалению, ситуация, складывающаяся вокруг освоения океанских руд, подтверждает то, что скорость разрушения биосферы превышает скорость ее познания [6].
Как было сказано выше, существующие методы добычи океанических конкреций сопряжены со значительным экологическим риском для придонных экосистем. Мы предлагаем принципиально новый экологически безопасный способ освоения таких руд [7]. Многолетние химико-минералогические исследования конкреций и корок в Тихом и Атлантическом океанах позволили нам по-другому подойти к проблеме добычи металлов с глубоководного дна океана. Теоретическая основа нашего предложения определяется особенностями геохимии марганца.
Особенности геохимии марганца
Марганец — главный рудообра-зующий металл железомарган-цевых конкреций. Он находится в них в форме свободного гид-роксида (Мп02-иЫ20), обладающего высокой сорбционной активностью — максимальной среди природных сорбентов. Это свойство позволяет ему связывать большой спектр металлов, что в геологически длительные периоды непрерывного роста конкреций приводит к образованию ценных рудных концентратов, с одной стороны, и способствует сохранению стабильного экологического состояния глубоководных районов океана, с другой.
Гидроксиды Мп чрезвычайно чувствительны к условиям среды и существовать в твердой фазе могут только в высоко окислительных условиях современного океанского дна. Снижение окислительно-восстановительного потенциала приводит к восстановлению и растворению гидроксидов Мп и высвобождению всех сорбционно связанных с ними металлов. В природных условиях это происходит при любой активизации эндогенных процессов на океанском дне, как правило, сопровождающейся выбросом раскаленных масс глубинного вещества, резким повышением температуры и снижением содержания кислорода в водной среде. Железо-марганцевые отложения полностью растворяются, и высвободившиеся металлы мигрируют в морскую воду. В восстановительной среде растворенный Мп2+ сохраняется до нормализации (окисления) среды, после чего происходит его регенерация и осаждение или соосажде-ние с другими металлами, имеющимися в растворе. Круговорот Мп в океане замкнут. Этим он отличается от железа, способного формировать в восстановленных осадках собственные минералы или входить в состав других и таким образом частично выводиться из океанского рудогенеза. Марганец же не обладает такой способностью и всегда остается в морской воде — как в окислительных условиях
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.