Железо-марганцевые конкреции мирового океана - Геология - Скачать бесплатно
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.
|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. |
Заключение
Открытие на дне океана около 130
|
