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.



|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 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