Полезные ископаемые океана
Жидкая руда
Уникальные физико-химические свойства воды и особенности ее происхождения являются причинами того, что в ней содержатся практически все элементы Периодической системы Менделеева. Однако количество растворенных в воде веществ резко различается; содержание некоторых элементов настолько мало, что находится за пределами точности определений. К настоящему времени в морской воде достоверно выявлено 73 химических элемента (рис. 44). Большинство элементов находится в воде в виде различных солей. Как уже отмечалось, из 35 г солей, содержащихся в одном литре морской воды, примерно 27,5 г составляют хлориды натрия и магния (поваренная соль и хлористый магний), 3,5 г — сульфаты (гипс, ангидрит) и около 0,07 г — карбонаты (кальцит, доломит); остальная часть приходится на другие соли. Из химических элементов в этом же объеме морской воды содержится 19,3 г хлора, 10,7 г натрия, 1,3 г магния и т. д.
Рис. 44. Содержание химических элементов в морской воде. Элементы, добываемые из морской воды: 7 — в промышленных масштабах, 2 — в незначительных количествах; 3 — элементы, пока практически не добываемые
Преобладающее большинство элементов имеет сравнительно низкое содержание, измеряемое миллиграммами на 1 л морской воды. Однако в масштабе Мирового океана общее количество растворенного элемента часто достигает значительной величины. Так, содержание лития в Мировом океане (при концентрации 0,17 мг /л) достигает 260 млрд. т, молибдена (0,01 мг /л) — 16 млрд. т, меди, олова и урана (примерно по 0,003 мг /л) — по 4 млрд. т и т. д. Даже при ничтожной концентрации серебра в 0,00003 мг /л общее его содержание в Мировом океане достигает 45 млн. т, а золота (0,000004 мг /л) — 5,5 млн. т. По подсчетам, учитывая гигантский объем Мирового океана, в его воде растворено около 5х10 16 т солей. Этим количеством солей можно было бы покрыть всю поверхность земной суши слоем толщиной в 153 м! Если еще учесть, что содержание многих элементов в морской воде систематически восполняется, то можно сделать вывод об исключительном богатстве Мирового океана.
Однако практическое использование этих богатейших ресурсов пока только начинается. К настоящему времени в некоторых странах — СССР, США, Великобритании, Испании, Италии, Франции и Японии — в промышленных масштабах из морской воды добывают всего несколько видов солей. Связано это с тем, что содержание большинства растворенных в воде элементов сравнительно невелико и их извлечение из воды при существующих технологиях малорентабельно. Поэтому естественно, что сейчас из морской воды добывают в основном только наиболее распространенные компоненты — поваренную соль и хлористый магний. При добыче этих солей обычно применяют простейшую технологию — выпаривание морской воды в естественных лагунах или специальных бассейнах. Используя свойство солей выпадать из раствора при различных температурах и концентрациях, из морской воды в системе последовательно соединенных бассейнов осаждают гипс, поваренную соль, хлористый магний и т. д. Этот способ добычи соли требует определенных затрат на сооружение бассейнов-испарителей, поэтому еще рентабельнее добыча солей из естественных испарителей, каковыми являются природные лагуны.
Среди них наиболее известен Кара-Богаз-Гол, залив в юго-восточной части Каспийского моря. В условиях жаркого и сухого климата здесь с площади около 18 тыс. км 2 испаряется огромное количество воды. Отметим, что для этих безводных мест название залива совершенно справедливо переводится с казахского как «Черная пасть». В результате интенсивного испарения уровень залива на 3-4 м ниже уровня Каспийского моря, с которым он был соединен узким проливом-водопадом. Кара-Богаз-Гол — интенсивно работающий испаритель, наносящий заметный ущерб водным запасам Каспийского моря, изолированного от Мирового океана. Поэтому несколько лет тому назад было принято решение о перекрытии пролива. Это, с одной стороны, способствовало стабилизации уровня Каспия, а с другой стороны, позволило приступить к открытой разработке миллиардов тонн солей, слагающих дно залива. Однако в последние годы уровень воды в Каспии начал медленно подниматься. В Закаспии же в связи с быстрым испарением воды из залива произошло заметное ухудшение экологической обстановки — ветровая эрозия солей обнажившегося дна и дальнейшее засолонение почв, опустынивание. Поэтому пролив, соединяющий Кара-Богаз-Гол с Каспием, сейчас снова открыт.
Другой естественной лагуной является Сиваш — огромная система мелководных полузамкнутых заливов в северной части Крымского полуострова. Из сильно минерализованной воды Сиваша уже сейчас получают соду, окись магния, бром и другие ценные компоненты. При условии комплексного использования вод Сиваша из них ежегодно можно получать до 146 млн. т поваренной соли, миллионы тонн сернокислого магния, хлористого калия, бром, кальций, хлор и другие соли.
Из зарубежных примеров такой изолированной лагуной является Мертвое море глубиной до 356 м.
Соленость его воды достигает 270‰, а запасы солей оценивают в 22 млрд. т хлористого магния, 11 млрд. т хлористого натрия, 6 млрд. т хлористого калия и других, что обеспечило бы мировое потребление этих солей на многие сотни лет.
Особый интерес представляют современные рифтовые долины, где рождается новая литосфера. Здесь жидкое вещество мантии впервые вступает в контакт с водой, которая вымывает из него растворимые компоненты. Естественно, растворимости способствует высокая температура воды на этом контакте. Результаты изучения центральной части Красного моря (рис. 45), представляющего собой типичную молодую рифтовую долину, показали, что на глубине более 2 км температура воды не снижается (как повсеместно в Мировом океане), а наоборот, скачкообразно повышается до 50-60°С. Таким образом, температура придонного слоя здесь в 2-3 раза выше температуры на поверхности моря, изменяющейся в пределах 20-27°С. Температура придонного слоя связана здесь с аномальным значением теплового потока, в 10-15 раз превышающим среднее значение для океанического дна.
Для придонного слоя установлена также аномальная минерализация — соленость воды на глубине 2-2,2 км достигает 256‰, т. е. более чем в 7 раз выше нормальной солености вод Мирового океана.
Резко отличается и состав растворенных солей — здесь преобладают ионы тяжелых металлов, и прежде всего железа (29%), марганца, цинка (3,4%), свинца (0,1%), меди (1,3%), серебра (0,054%) и даже золота (0,005%).
Таким образом, при спрединге океанического дна на дне рифтовой долины образуются горячие высокоминерализованные рассолы, практически не смешивающиеся с вышележащими слоями воды. С глубиной эти термальные рассолы приобретают илоподобную консистенцию; при этом мощность таких металлоносных илов может измеряться сотнями метров. При высушивании в порошке содержание меди, например, достигает 3%, а цинка — даже 10%. Это свидетельствует о возможности и рентабельности добычи металлов из глубоководных рассолов и илов. А запасы их значительны. Следует учесть, что они периодически пополняются при спрединге океанического дна.
Особо следует остановиться на таком ценном энергетическом сырье, как уран, используемом в качестве топлива для атомных электростанций. Содержание урана в морской воде просто ничтожно — всего 3,33 мкг /л. В устьях рек, куда доставляются продукты разрушения континентов, это содержание может быть выше * , а общие запасы урана в воде Мирового океана, как уже указывалось, оценивают в 4,2х10 9 т. В морской воде уран содержится в виде раствора три карбоната урана. Для его извлечения из воды разработана технология фиксации урана на гидроксиде титана, весьма мало растворяющемся в воде. Экспериментальная установка с коэффициентом полезного действия около 50% при прокачивании через нее 170 тыс. т воды дала всего 0,26 г урана, что пока нерентабельно — затраты составили около 100 дол. на 1 кг урана при уровне рентабельности не выше 40 дол. на 1 кг. В будущем, возможно, будут предложены более производительные технологические схемы, которые сделают процесс извлечения урана из морской воды рентабельным.
* ( В устье реки Конго вода содержит урана в 10-30 раз больше его среднего содержания, т. е. до 44-80 мкг/л. Даже в среднем течении Конго содержится до 24 мкг/л урана.)
Перечень природных богатств, связанных с водами Мирового океана, был бы неполным без упоминания о собственно воде, содержащей практически неисчерпаемые для человечества запасы водорода, кислорода и их изотопов. Одним из таких изотопов является дейтерий — изотоп водорода, который планируют использовать в качестве топлива для термоядерных реакторов будущего. Запасы дейтерия в Мировом океане почти безграничны — 2,5х10 13 т, что определяет широкие перспективы его использования при условии решения проблемы управления реакцией термоядерного синтеза.
Источник
Неисчерпаемые полезные ископаемые океан
До недавнего времени практически все минеральные вещества — нефть, газ, уголь, черные, цветные и редкие металлы, сырье для химической и строительной промышленности — извлекались исключительно из недр континентов. В связи с уменьшением их запасов на материках все более актуальной становится проблема освоения минеральных ресурсов дна морей и океанов.
Океан является грандиозным хранилищем минеральных богатств. Практический интерес представляют полезные ископаемые, таящиеся в недрах под дном океанов, поверхностные образования континентального шельфа, континентального склона и глубоководного океанического дна. Большую роль могут играть и сами воды Мирового океана. Они содержат в растворенном состоянии огромное количество химических элементов.
По подсчетам ученых, в шельфовой зоне под дном Мирового океана сосредоточено не менее трети мировых запасов нефти. Запасы нефти и природного газа предполагаются также в Черном и Азовском морях. Богатой кладовой нефти и газа является дно Северного Ледовитого океана. Здесь недавно на побережье северной части Аляски обнаружено крупнейшее нефтяное месторождение. Нефтяные месторождения давно известны в Мексиканском и Персидском заливах; найдена нефть в прибрежных районах Африки, Индонезии, Малайзии и др. Большие запасы нефти выявлены в восточной части Бассова пролива (Австралия) и в Бискайском заливе. К настоящему времени на акваториях морей и океанов выявлено более 900 месторождений нефти и газа. Почти 350 из них уже разрабатываются.
Первые шаги в добыче нефти со дна моря сделаны в 20-е годы прошлого века в Бакинской бухте. Здесь, в 20—30 м от берега строили деревянные колодцы, откачивали из них воду и добывали нефть. В 1888 г. в Японии осуществили проходку скважины для добычи морской нефти с деревянного свайного основания. В 1896 г. у берегов Калифорнии пробурили первую морскую скважину методом наклонного бурения с суши. В СССР в 1947 г. в районе Баку началось освоение знаменитого месторождения Нефтяные Камни, удаленного на 80 км от берега. В настоящее время основную часть нефти, добываемой из морских месторождений, получают в Венесуэле, Персидском и Мексиканском заливах. Нефть добывается у берегов Калифорнии, в заливе Кука (Аляска), дельте Нигера и других районах.
В 1975 г. на континентальный шельф приходилась 1/5 всей добываемой в мире нефти — 435,7 млн. т. По предварительным оценкам ученых, в начале 80-х годов мировая добыча морской нефти должна составить более 35% всей ее добычи, а к 2000 г.— не менее 45%.
У побережья Шотландии более 350 лет эксплуатировалась угольная шахта, углубленная в твердые породы морского дна из искусственно насыпанного острова. Шахтным способом разрабатываются недра под водами морей в ряде других стран. В них добывается уголь, железная руда, руды никеля, меди, олова. Глубина шахт колеблется от 30 до 2400 м под дном моря при максимальной глубине воды до 120 м и при удалении от берега до 8 км. В Японии добыча морского угля составляет около 26% от общей добычи угля в стране, в Англии — «Около 10%.
В недрах Мексиканского залива в 11 км от берега Луизианы разведано крупное месторождение серы. Здесь разрабатывается и морское месторождение соли. Добыча серы и соли ведется методом закачки горячей воды под давлением в сероносный или соленосный пласт и вывода расплавленной серы и соли на поверхность по трубам. Большой интерес представляют прибрежные песчаные осадки. В них содержатся переотложенные россыпи тяжелых минералов — железа, титана, хрома, циркония, олова, ниобия, тантала, тория, ильменита, монацита, рутила, глауконита, а также золота, серебра, платины, алмазов, фосфоритов. Такие россыпи, например, содержатся в прибрежных песках, протягивающихся на 1500 км вдоль побережья Австралии. Ильменито-монацитовые и ильменито-цирконовые россыпи обнаружены в прибрежных районах Индии, Бразилии, США, Новой Зеландии, о. Цейлона. В 1961 г. на дне океана вдоль юго-западного побережья Африки открыты богатые месторождения алмазов. В прибрежных водах Калифорнии, Орегона, Канады, Панамы, Чили, Турции, Египта обнаружено золото.
В странах Европы россыпные месторождения тяжелых минералов расположены в прибрежных зонах морей, омывающих берега Норвегии, Дании, Германской Демократической Республики, Польши, Англии, Испании, Португалии и Италии, а также на побережьях Балканских стран. В этих месторождениях содержатся: ильменит, магнетит, рутил, цирконий, монацит, гранат, хромит и другие минералы. В 1 м3 прибрежно-морского песка может содержаться до десятков и сотен килограммов ильменита и рутила.
Развитие современных технических средств создало возможность экономически выгодно разрабатывать месторождения ряда полезных ископаемых в прибрежных частях моря на глубине до 100—200 м и более. Так, прибрежные месторождения Австралии дают основную массу добычи рутила и циркония, а также значительную долю добычи ильменита и монацита. А первоначально эти месторождения разрабатывались как золото- и платиноносные. Около 70 лет добываются золото и платина на прибрежных пляжах Аляски. Разрабатываются африканские месторождения алмазов. В них на 1 т породы приходится до 14 каратов алмазов против 1 карата на 1 т породы на суше. Оловоносные россыпи эксплуатируются в Индонезии, Таиланде, Малайзии. Япония в прибрежных районах добывает железистые и титано-железистые пески.
Среди полезных ископаемых континентального склона наибольшее значение имеют фосфориты н глауконитовые пески, распространенные на глубинах 200—600 м. Они распространены вдоль берегов Африки, Америки, у восточного побережья Австралии, у Новой Зеландии и Японии, Португалии, Франции, Румынии, Шотландии.
Кроме фосфора, полезным компонентом в фосфоритах является примесь циркония, урана и ряда редких элементов. Глауконитовые пески представляют интерес как калийсодержащие минеральные удобрения.
На дне глубоководного океана реально получение в больших количествах марганца, железа, меди, свинца, цинка, хрома, никеля, кобальта, платины. Обширные пространства океанического дна усеяны железо-марганцевыми конкрециями. Химический анализ показал, что они содержат марганец, железо, никель, кобальт, медь, молибден.
Конкреции представляют собой минеральные тела, образовавшиеся благодаря стягиванию вокруг твердых центров (раковин и костей вымерших животных) растворенных в воде различных элементов. Они обнаружены на глубинах от 20 м и до 8 тыс. м, но чаще всего распространены на глубинах 3500—5500 м. Форма конкреций обычно округлая или чечевицеподобная, размеры от 1 до 20 см в диаметре.
Широкое распространение железо-марганцевых конкреций установлено на огромных площадях Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Подсчеты показали, что, например, в восточной части Тихого океана на квадратном километре дна имеется около 11,5 тыс. т конкреций, в западной части — 9,6 тыс., а в центральной — до 20 тыс.
В качестве потенциального минерального сырья рассматриваются глубоководные океанические красные глины. Они покрывают дно океанов слоем мощностью в среднем 100 м на площади около 10 млн. км2. Анализы показали, что в глинах содержится 25% окиси алюминия, 13% окиси железа, 0,2% меди, 0,08% никеля, 0,04% ванадия, 0,02% кобальта. По предварительным подсчетам, в этих глинах содержится 9-1013 т алюминия, около 9-1011 т меди.
Кроме железо-марганцевых конкреций и океанических красных глин, на дне океанов широко распространены также диатомовые и известковые илы. Они могут служить источником добычи кремния и кальция.
Большим содержанием железа, марганца, цинка, свинца, меди, золота, серебра характеризуются высокотемпературные рассолы, изливающиеся на морское дно вдоль осевой линии срединно-океанических хребтов.
Уникальной кладовой минерального сырья являются сами воды Мирового океана. В них содержатся почти все известные в природе элементы.
В океанах сосредоточено около 5-1016 т минеральных веществ. Если извлечь все соли, находящиеся в водах океанов, и равномерно распределить их на континентах, то толщина такого слоя составит более 150—200 м. А если эти соли рассыпать по поверхности всего земного шара, то, по подсчетам академика Л. А. Зенкевича, они покрыли бы земной шар слоем в 45 м. В одном кубическом километре морской воды содержится: 28 ■ 106 т поваренной соли, 1,3• 10б т магния, 3,1-104 т бора, 300 т брома, 79 т меди, 11 т урана и целый ряд некоторых соединений элементов.
Развитие техники существенно приблизит возможности освоения минеральных ресурсов Мирового океана. В результате запасы морских месторождений станут более доступными, чем месторождения суши.
Источник