Железо-марганцевые конкреции мирового океана

| Категория реферата: Рефераты по геологии
| Теги реферата: банки рефератов бесплатно, сочинение по картине
| Добавил(а) на сайт: Дедов.

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.

|Атлан| | |Инди| | | | | |Тихий | | |
|тичес| | |йски| | | | | |океан | | |
|кий | | |й | | | | | | | | |
|океан| | |океа| | | | | | | | |
| | | |н | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | |
| | | |Запа| | | | | | | | |
| | | |дная| | | | | | | | |
| | | |част| | | | | | | | |
| | | |ь | | | | | | | | |
| | | |Вост| | | | | | | | |
| | | |очна| | | | | | | | |
| | | |я | | | | | | | | |
| | | |част| | | | | | | | |
| | | |ь | | | | | | | | |
|Площа|Mn|Ресурсы |Площ|M|Ресурсы |Площадь |M|Ресурсы |Площ|M|Ресурсы |
|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. |