Курсовая: Железо-марганцевые конкреции мирового океана
УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
КУРСОВАЯ РАБОТА ПО МПИ
Железо - марганцевые конкреции мирового океана
Студент: Образцов П.И.
Группа: РМ-00-1
Преподаватель: Рудницкий В.Ф.
г.Екатеринбург
2003г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение.........................3
2. История исследования.....................4
3. Распространение, состав и генезис рудных образований....5
4. Проблемы геохимии ЖМО.....................10
5. О перспективах освоения рудных ресурсов...........14
6. Заключение.........................19
7. Список используемой литературы..............20
ВВЕДЕНИЕ
На протяжении предшествующих тысячелетий единственным источником минеральных
ресурсов был континентальный блок, а в последней четверти ХХ в. началось
освоение дна Мирового океана. В связи с этим уместно рассмотреть, каковы
перспективы будущего освоения рудных ресурсов океана. Различным аспектам
проблемы посвящено множество публикаций. Мы коснемся лишь самых характерных
сторон состава и формирования океанских рудоносных отложений.
История исследования
Начальные сведения о рудных образованиях на дне открытого океана были
получены в ходе проведения первой в истории мировой науки комплексной
океанологической экспедиции на английском судне “Челленджер”, продолжавшейся
почти четыре года (1872-1876).
18 февраля 1873 г. при проведении драгировки в 160 милях к юго-западу от
Канарских о-вов со дна были подняты черные округлые желваки -
железомарганцевые конкреции, содержащие, как показали уже первые анализы,
значительное количество никеля, меди и кобальта. Правда, несколько ранее, в
1868 г., во время экспедиции Н.Норденшельда на шведском судне “София”,
похожие конкреции были подняты со дна Карского моря, но эта находка осталась
практически незамеченной.
В течение нескольких десятилетий после экспедиции “Челленджера” конкреции
находили регулярно почти все последующие экспедиции, получавшие донные пробы, и
начиная с 60-х годов ХХ в. стали появляться обоснованные предположения о
глобальном характере железомарганцевого оруденения на дне океана. Так, по
расчетам Д.Меро, общие ресурсы железомарганцевых конкреций на дне Тихого океана
достигают 1.66·1012 т.
Распространение, состав и генезис рудных образований
Железомарганцевые конкреции, широко распространенные на дне Мирового океана,
максимально сосредоточены в нескольких рудных полях, в пределах которых они
распределяются неравномерно, хотя на некоторых участках конкреции покрывают
свыше 50% площади дна. В их минеральном составе доминируют гидроксиды
марганца (тодорокит, бернессит, бузерит, асболан) и железа (вернадит,
гематит, фероксигит), с ними связаны все преставляющие экономический интерес
металлы.
Распространение железомарганцевых конкреций, обогащенных рудными металлами.
Химический состав океанских конкреций крайне разнообразен: в тех или иных
количествах присутствуют практически все элементы периодической системы. Для
сравнения в таблице 1 приводятся средние содержания главных рудных элементов
в морских железомарганцевых конкрециях и в глубоководных пелагических
осадках.
Соотношение средних содержаний химических элементов
в железомарганцевых конкрециях (ЖМК) и глубоководных осадках океана.
Проблема генезиса железомарганцевых конкреций сопряжена с проблемой скорости
их роста. Согласно результатам датирования конкреций традиционными
радиометрическими методами, скорость их роста оценивается миллиметрами за
миллион лет, т.е. намного ниже скоростей отложения осадков. По другим данным,
в частности по возрасту органических остатков и по изотопному составу гелия,
конкреции растут в сотни и тысячи раз быстрее и могут, как предполагают,
оказаться моложе подстилающих осадков.
Для подтверждения первой точки зрения требуется объяснить, почему конкреции
не перекрываются относительно быстро накапливающимися осадками, для
подтверждения второй - откуда за относительно короткое время поступила
колоссальная масса марганца, необходимая для формирования конкреций в
масштабах всего океана.
В первом случае предлагался ряд объяснений, например: активность
переворачивающих конкреции донных организмов, воздействие придонных течений,
поддерживающих конкреции “на плаву”, тектонические толчки, встряхивающие
донные отложения. Для обоснования второй концепции наиболее удобна гипотеза
усиленной поставки в позднечетвертичный океан гидротермального марганца,
однако конкретные доказательства подобного явления пока не приводились. В
любом случае конкреции сформировались за счет поступления рудного материала
из подстилающих осадков, о чем свидетельствует корреляция средних содержаний
в них различных элементов.
До сих пор мы фактически не знаем откуда берутся металлы, связанные в железо-
марганцевых отложениях (ЖМО), каков механизм формирования конкреций, скорости
их роста и др. И хотя исследований на эти темы опубликовано много, возможно
тысячи, включая капитальные монографии, однако по-прежнему сохраняется
дискуссионность и неопределенность во многих вопросах. Может случиться, что
добыча конкреций и рудных корок (с подводных поднятий) начнется раньше, чем
будут выяснены кардинальные вопросы их происхождения и роли в океанской
среде. Ведь известно, что обогащенность ЖМО ценными металлами связана с их
высокой сорбционной активностью, а это значит, что роль их в поддержании
равновесия в составе морской воды огромна, и особенно, в условиях резкого
увеличения антропогенных и техногенных сбросов в океаны.
Проблемы геохимии ЖМО
Казалось бы, что само название океанских руд свидетельствует о геохимической
близости свойств Fe и Mn, формирующих общие стяжения. Это же вытекает из
соседства их в таблице Менделеева. Однако, еще В.И.Вернадский писал, что в
природе в зоне гипергенеза (кора выветривания) нет ни одного железо-
марганцевого минерала. Большинство Mn месторождений на суше, особенно
крупных, имеет осадочное происхождение. Fe- и Mn-рудные месторождения нередко
сопутствуют друг другу, но всегда разделены во времени и пространстве. Это
связано с разницей в величинах стандартных потенциалов окисления - более
низком для Fe и - высоком для Mn. Поэтому окисление Fe в природной обстановке
происходит легче и быстрее, чем Mn и оно раньше образует твердофазные
соединения.
Важно отметить, что в океанской среде Fe образует собственные минералы или
входит в состав других (глинистых) как в окисленной, так и в восстановленной
(бескислородной) осадочной толще. Mn же в твердой фазе здесь может существовать
только в окислительных условиях в форме свободных гидроксидов в высшей степени
окисления, близкой к MnO2, но этот предел как правило не достигается
из-за сорбционного связывания гидроксидом некоторого количества MnO (обычно
1-2%), за счет окисления которого постепенно наращивается его собственная фаза.
Поэтому точнее состав гидроксидов отражает формула: nMnO·MnO2·mH
2O. В восстановленных осадках это соединение растворяется,
восстанавливаясь до двухвалентного состояния (MnO), и мигрирует к их
поверхности в сторону кислород-содержащей среды. Именно это происходит в
окраинных районах океанов, где скорости накопления осадков речного стока велики
и это создает восстановительные условия в их толще. По существу, окраинные
районы океанов являются “фабрикой”, поставляющей Mn и, в меньшей мере, Fe в
океан. “В меньшей мере” означает не абсолютное количество Fe, а тот факт, что
часть его, поступившая с речным стоком, связывается в восстановленном осадке в
форме сульфидов или входит в состав других минералов и выводится из океанского
рудогенеза. Это - первый этап разделения этих металлов в океане. В классических
трудах Н.М. Страхова показана дальнейшая судьба этих и других металлов в океане
и их накопление в благоприятных фациальных условиях (высокие содержания
растворенного кислорода, низкие скорости седиментации), которые соответствуют
глубоководным - пелагическим областям океанского дна, где и формируются
наибольшие концентрации конкреций. Аналогичные условия возникают и на вершинах
подводных обнажений, не перекрытых осадком, независимо от их местоположения в
океане. В таких случаях нередко формируются рудные корки, особенностью которых
является обогащенность Со, поэтому они называются кобальтоносными.
В последние годы стала особенно очевидной высокая мобильность самого
океанского дна, при которой реализуется эндогенная (внутриземная) энергия -
это и процессы спрединга (раздвига) в океанических хребтах и связанная с ними
активизация вулканической деятельности, нередко сопровождающаяся
гидротермальной деятельностью, процессы субдукции и пр. Все они для ЖМО
являются губительными, т.к. сопровождаются резким повышением температуры,
снижением содержания кислорода в морской воде, а нередко и излияниями кислых
и восстановленных гидротермальных флюидов. В таких условиях ЖМО растворяются
и обогащают соответствующий объем морской воды содержавшимися в них
металлами. При каждом подобном событии часть Fe остается связанной в
нерастворимых формах минералов в осадочной толще, а Mn мигрирует в
окислительную среду морской воды, где происходит его регенерация
(переотложение), особенно интенсивная в зоне геохимического барьера на
границе двух несовместимых сред.
Таким образом, главное геохимическое различие между Mn и Fe в океане сводится
к многообразию минеральных форм, в которых Fe выводится из рудогенеза,
осаждаясь как в окислительных, так и восстановительных условиях, в то время,
как Mn может находиться в твердофазной - гидроксидной форме только в
окисленной среде. Mn имеет замкнутый круговорот в океане, и в ходе
геологической истории, многократно может переходить из растворенного
состояния в твердофазное и наоборот, в зависимости от изменений в составе
морской воды, и каждый раз при этом теряет часть ранее связанного с ним Fe,
что приводит к относительному обогащению ЖМО марганцем. Насколько резко
произойдет это разделение зависит от геологического времени пребывания Mn в
океане.
Таким образом, Mn в значительно большей степени, чем Fe, связан с гидросферой
и судьба его полностью контролируется изменениями в физико-химических
параметрах морской воды (Еh, рН и др.). Для современного океана эндогенные
проявления имеют узко локальный характер и их последствия быстро
нейтрализуются несопоставимо большими массами окисленной морской воды.
Жизнеспособность восстановленных гидротермальных флюидов зависит от
длительности функционирования питающих их источников, в отдельных случаях это
может продолжаться тысячи или десятки тысяч лет, но и эти величины не идут ни
в какое сравнение с многомиллионнолетней историей окисного рудогенеза в
океане, конечным результатом которого является колоссальное накопление Mn .
Краткий обзор особенностей геохимии Mn в океане позволяет понять, почему
причины накопления Mn следует искать не в источниках его непосредственной
поставки в океан, а в сочетании фациально-благоприятных условиий для его
отложения и геологической длительности существования Океана на Земле.
О перспективах освоения рудных ресурсов
Идея освоения рудных ресурсов океана возникла на базе значительных достижений
в области исследований океанского дна, проводившихся ведущими мировыми
державами в эпоху холодной войны и активной конкуренции за приоритет в
освоении океана как стратегического пространства. Естественно, что эта идея
получила поддержку руководства каждой из конкурирующих сторон, поскольку руды
марганца и кобальта рассматривались как стратегическое сырье. В океане были
проведены сотни специализированных рейсов научно-исследовательских судов США,
СССР, а также Индии, Японии, европейских стран, Австралии, Новой Зеландии и
ЮАР. Было получено и обработано невиданное ранее количество новой информации
о рудном потенциале океана (табл.2), на что было истрачено, по
ориентировочной оценке, около 4 млрд долл.
| Атлантический океан | Индийский океан | Тихий океан | | Западная часть Восточная часть | | Площадь в тыс.км2 | Mn/Fe | Ресурсы Mn в млн.т. | Площадь в тыс.км2 | Mn/Fe | Ресурсы Mn в млн.т. | Площадь в тыс.км2 | Mn/Fe | Ресурсы Mn в млн.т. | Площадь в тыс.км2 | Mn/Fe | Ресурсы Mn в млн.т. | | | | | | | | | | | | | | 320 | 0,98 | - | 202 | 0,8 | 206 | 615 | 1,9 | 2070 | 8094 | 1,6 | 12014 | | | | | | | | | | | | | | |
Площади распространения ЖМО в океанах и оценка прогнозных ресурсов Mn в
рудных полях
Одновременно решались и другие аспекты этой проблемы - технические, правовые,
экологические, экономические.
Технические проблемы заключаются в способах добычи, транспортировки и
переработки. Из различных методов разработки железомарганцевых конкреций и
фосфоритов наиболее перспективны гидроподъемный и эрлифтный (подъем с помощью
сжатого воздуха). Для транспортировки сырья предполагалось использовать
обычные сухогрузные суда. Переработка конкреций и корок методами пиро- и
гидрометаллургии была успешно опробована на ряде предприятий США и бывшего
СССР.
Правовые вопросы, возникшие в связи с предполагаемыми добычными работами в
международных водах, были разрешены путем создания при ООН Подготовительной
комиссии Международного органа по морскому дну, которая была уполномочена
выдавать лицензии на заявочные участки. Наиболее перспективная для добычи
конкреций зона Кларион-Клиппертон была поделена между несколькими заявителями
- государственными организациями и международными горнорудными консорциумами.
Многие залежи рудных корок, особенно в центральной части Тихого океана,
оказались в пределах 200-мильных экономических зон островных государств,
которые обладают монопольными правами на их освоение.
Распределение заявленных участков на разработку железомарганцевых конкреций в
зоне Кларион-Клиппертон. A - Ocean Mining Assoc.(международный консорциум); J -
Ocean Management Inc. (Япония); O - Ocean Minerals Co.(США); K - Kennecott
Consort (Канада); I - Ocean Mining Inc. (международный консорциум); C - COMRA
(Китай) R - Южморгеология (Россия), P -InterOCEAN Metal (бывшие страны СЭВ);
черным цветом показаны участки французской ассоциации AFERNOD, серым -
резервные площади Международного органа по морскому дну.
Экологические проблемы, связанные с нарушением среды как на дне, так и в
фотическом горизонте водной толщи, предполагалось разрешить путем минимизации
взмучивания придонного слоя, а также выводом продуктов промывки конкреций с
борта судна на глубину нескольких сот метров по специальному трубопроводу.
Наконец, наиболее критическая проблема, ставшая первостепенной, -
рентабельность предприятия в целом. Еще в конце 70-х годов было подсчитано,
что капитальные затраты на создание производственного комплекса по добыче и
переработке 3 млн т конкреций в год составят 1.5-2 млрд долл. При этом доходы
на вложенный капитал - 8.5-9.5%, а чистая прибыль после вычета налогов - лишь
3-4.5%. С учетом нестабильности океанской среды, изменчивости ситуации на
рынках сбыта, а главное, при отсутствии стратегического стимула, такой
экономический риск не оправдан.
Но работавшие в этой области специалисты считают, что накопленный опыт по
освоению подводных месторождений необходимо тщательно сохранять и
приумножать, дабы немедленно его реализовать в случае изменения экономической
ситуации в мировой экономике и технологиях, могущих вызвать повышение цен на
черные и цветные металлы.
| Принципиальная схема разработки конкреционных океанских месторождений методом гидроподъема на специально оборудованном судне. 1, 2 - водяной насос и трубопровод для подачи воды к рабочей головке; 3, 4 - компрессор и трубопровод для подачи сжатого воздуха в пульпу; 5 - рабочая головка с гидромонитором для размыва грунта и всасывающим устройством; 6, 7 - насос и трубопровод для подъема пульпы с конкрециями; 8, 9 - насос и трубопровод для откачки отработанной пульпы и укладки на дно. Система разработана в Московской горной академии. |
Заключение
Открытие на дне океана около 130 лет назад железомарганцевых конкреций и
фосфоритов было первым свидетельством сосредоточения в океане рудных
ресурсов. Бурное ускорение исследований рудного потенциала океана началось в
60-70-х годах прошлого столетия в ходе конкуренции мировых держав за освоение
стратегического пространства и стратегического сырья. По ресурсам некоторых
видов рудного сырья океан не уступает континентам. Это относится в первую
очередь к кобальт-марганцевым рудным коркам и фосфоритам, а в перспективе,
видимо, и к сульфидам.
Результаты выполненных к настоящему времени поисково-разведочных работ,
технических и технологических испытаний свидетельствуют о практической
возможности освоения рудных ресурсов океана, включая обеспечение
соответствующих природоохранных мероприятий.
Однако возобновление этого комплекса работ, приостановленных сейчас в связи с
изменением политической ситуации в мире, произойдет лишь при повышении
экономической конкурентоспособности океанского рудного сырья по сравнению с
континентальным, стоимость которого растет по мере истощения имеющихся
ресурсов.
Список используемой литературы
1. Батурин Г.Н. Рудный потенциал океана // Природа №5 2002г.
2. Базилевская Е.С., Пущаровский Ю.М.// Российский журнал наук о Земле,
1999, т.1, №3, 205-219.
3. Гурвич Е.Г. Металлоносные осадки Мирового океана. М., 1998.
4. Ресурсы WWW
|
