Реферат: 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·mH2O.
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
|