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.

|кий | | |й | | | | | | | | |

| | | |н | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | |

| | | |ь | | | | | | | | |

| | | |я | | | | | | | | |

| | | |ь | | | | | | | | |

|дь в |/F|Mn в |адь |n|Mn в |в |n|Mn в |адь |n|Mn в |

|тыс.к|e |млн.т. |в |/|млн.т. |тыс.км2 |/|млн.т. |в |/|млн.т. |

|м2 | | |тыс.|F| | |F| |тыс.|F| |

| | | |км2 |e| | |e| |км2 |e| |

| | | | | | | | | | | | |

|320 |0,|- |202 |0|206 |615 |1|2070 |8094|1|12014 |

| |98| | |,| | |,| | |,| |

| | | | |8| | |9| | |6| |

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.

|[pic] |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