Реферат: 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. Историяисследования…………………………..……………….….4

3. Распространение, состав и генезисрудных образований…………5

4. Проблемы геохимииЖМО……..……………………………….....10

5. О перспективах освоения рудныхресурсов……………………...14

6.Заключение………………………..………………………………..19

7. Список используемойлитературы………..………………………20

ВВЕДЕНИЕ

На протяжениипредшествующих тысячелетий единственным источником минеральных ресурсов былконтинентальный блок, а в последней четверти ХХ в. началось освоение днаМирового океана. В связи с этим уместно рассмотреть, каковы перспективыбудущего освоения рудных ресурсов океана. Различным аспектам проблемы посвященомножество публикаций. Мы коснемся лишь самых характерных сторон состава иформирования океанских рудоносных отложений.

Историяисследования

Начальные сведения орудных образованиях на дне открытого океана были получены в ходе проведенияпервой в истории мировой науки комплексной океанологической экспедиции наанглийском судне “Челленджер”, продолжавшейся почти четыре года (1872-1876).

18 февраля 1873 г. припроведении драгировки в 160 милях к юго-западу от Канарских о-вов со дна былиподняты черные округлые желваки — железомарганцевые конкреции, содержащие, какпоказали уже первые анализы, значительное количество никеля, меди и кобальта.Правда, несколько ранее, в 1868 г., во время экспедиции Н.Норденшельда нашведском судне “София”, похожие конкреции были подняты со дна Карского моря, ноэта находка осталась практически незамеченной.

В течение несколькихдесятилетий после экспедиции “Челленджера” конкреции находили регулярно почтивсе последующие экспедиции, получавшие донные пробы, и начиная с 60-х годов ХХв. стали появляться обоснованные предположения о глобальном характережелезомарганцевого оруденения на дне океана. Так, по расчетам Д.Меро, общиересурсы железомарганцевых конкреций на дне Тихого океана достигают 1.66·1012т.

 

Распространение,состав и генезис рудных образований/> <td/> />
Железомарганцевые конкреции,широко распространенные на дне Мирового океана, максимально сосредоточены внескольких рудных полях, в пределах которых они распределяются неравномерно,хотя на некоторых участках конкреции покрывают свыше 50% площади дна. В их минеральномсоставе доминируют гидроксиды марганца (тодорокит, бернессит, бузерит, асболан)и железа (вернадит, гематит, фероксигит), с ними связаны все преставляющиеэкономический интерес металлы.

Распространениежелезомарганцевых конкреций, обогащенных рудными металлами.

Химический составокеанских конкреций крайне разнообразен: в тех или иных количествахприсутствуют практически все элементы периодической системы. Для сравнения втаблице 1 приводятся средние содержания главных рудных элементов в морских железомарганцевыхконкрециях и в глубоководных пелагических осадках.

/>

/> <td/> />
Соотношение среднихсодержаний химических элементов
в железомарганцевых конкрециях (ЖМК) и глубоководных осадках океана.

Проблема генезисажелезомарганцевых конкреций сопряжена с проблемой скорости их роста. Согласнорезультатам датирования конкреций традиционными радиометрическими методами,скорость их роста оценивается миллиметрами за миллион лет, т.е. намного нижескоростей отложения осадков. По другим данным, в частности по возрастуорганических остатков и по изотопному составу гелия, конкреции растут в сотни итысячи раз быстрее и могут, как предполагают, оказаться моложе подстилающих осадков.

Для подтверждения первойточки зрения требуется объяснить, почему конкреции не перекрываютсяотносительно быстро накапливающимися осадками, для подтверждения второй — откуда за относительно короткое время поступила колоссальная масса марганца,необходимая для формирования конкреций в масштабах всего океана.

В первомслучае предлагался ряд объяснений, например: активность переворачивающихконкреции донных организмов, воздействие придонных течений, поддерживающихконкреции “на плаву”, тектонические толчки, встряхивающие донные отложения. Дляобоснования второй концепции наиболее удобна гипотеза усиленной поставки впозднечетвертичный океан гидротермального марганца, однако конкретныедоказательства подобного явления пока не приводились. В любом случае конкрециисформировались за счет поступления рудного материала из подстилающих осадков, очем свидетельствует корреляция средних содержаний в них различных элементов.

До сих пор мы фактическине знаем откуда берутся металлы, связанные в железо-марганцевых отложениях(ЖМО), каков механизм формирования конкреций, скорости их роста и др. И хотяисследований на эти темы опубликовано много, возможно тысячи, включаякапитальные монографии, однако по-прежнему сохраняется дискуссионность инеопределенность во многих вопросах. Может случиться, что добыча конкреций ирудных корок (с подводных поднятий) начнется раньше, чем будут выясненыкардинальные вопросы их происхождения и роли в океанской среде. Ведь известно,что обогащенность ЖМО ценными металлами связана с их высокой сорбционнойактивностью, а это значит, что роль их в поддержании равновесия в составеморской воды огромна, и особенно, в условиях резкого увеличения антропогенных итехногенных сбросов в океаны.

 Проблемы геохимии ЖМО

Казалось бы, что самоназвание океанских руд свидетельствует о геохимической близости свойств Fe иMn, формирующих общие стяжения. Это же вытекает из соседства их в таблицеМенделеева. Однако, еще В.И.Вернадский писал, что в природе в зоне гипергенеза(кора выветривания) нет ни одного железо-марганцевого минерала. Большинство Mnместорождений на суше, особенно крупных, имеет осадочное происхождение. Fe- иMn-рудные месторождения нередко сопутствуют друг другу, но всегда разделены вовремени и пространстве. Это связано с разницей в величинах стандартныхпотенциалов окисления — более низком для Fe и — высоком для Mn. Поэтомуокисление Fe в природной обстановке происходит легче и быстрее, чем Mn и онораньше образует твердофазные соединения.

Важно отметить, что вокеанской 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 вокислительных условиях в форме свободных гидроксидов в высшей степениокисления, близкой к MnO2, но этот предел как правило не достигаетсяиз-за сорбционного связывания гидроксидом некоторого количества MnO (обычно1-2%), за счет окисления которого постепенно наращивается его собственная фаза.Поэтому точнее состав гидроксидов отражает формула: nMnO·MnO2·mH2O.<sub/>В восстановленных осадках это соединение растворяется, восстанавливаясьдо двухвалентного состояния (MnO), и мигрирует к их поверхности в сторонукислород-содержащей среды. Именно это происходит в окраинных районах океанов,где скорости накопления осадков речного стока велики и это создаетвосстановительные условия в их толще. По существу, окраинные районы океановявляются “фабрикой”, поставляющей Mn и, в меньшей мере, Fe в океан. “В меньшеймере” означает не абсолютное количество Fe, а тот факт, что часть его,поступившая с речным стоком, связывается в восстановленном осадке в формесульфидов или входит в состав других минералов и выводится из океанскогорудогенеза. Это — первый этап разделения этих металлов в океане. В классическихтрудах Н.М. Страхова показана дальнейшая судьба этих и других металлов в океанеи их накопление в благоприятных фациальных условиях (высокие содержаниярастворенного кислорода, низкие скорости седиментации), которые соответствуютглубоководным — пелагическим областям океанского дна, где и формируютсянаибольшие концентрации конкреций. Аналогичные условия возникают и на вершинахподводных обнажений, не перекрытых осадком, независимо от их местоположения вокеане. В таких случаях нередко формируются рудные корки, особенностью которыхявляется обогащенность Со, поэтому они называются кобальтоносными.

В последние годы сталаособенно очевидной высокая мобильность самого океанского дна, при которойреализуется эндогенная (внутриземная) энергия — это и процессы спрединга(раздвига) в океанических хребтах и связанная с ними активизация вулканическойдеятельности, нередко сопровождающаяся гидротермальной деятельностью, процессысубдукции и пр. Все они для ЖМО являются губительными, т.к. сопровождаютсярезким повышением температуры, снижением содержания кислорода в морской воде, анередко и излияниями кислых и восстановленных гидротермальных флюидов. В такихусловиях ЖМО растворяются и обогащают соответствующий объем морской водысодержавшимися в них металлами. При каждом подобном событии часть Fe остаетсясвязанной в нерастворимых формах минералов в осадочной толще, а Mn мигрирует вокислительную среду морской воды, где происходит его регенерация(переотложение), особенно интенсивная в зоне геохимического барьера на границедвух несовместимых сред.

Таким образом, главноегеохимическое различие между Mn и Fe в океане сводится к многообразиюминеральных форм, в которых Fe выводится из рудогенеза, осаждаясь как в окислительных,так и восстановительных условиях, в то время, как Mn может находиться втвердофазной — гидроксидной форме только в окисленной среде. Mn имеет замкнутыйкруговорот в океане, и в ходе геологической истории, многократно можетпереходить из растворенного состояния в твердофазное и наоборот, в зависимостиот изменений в составе морской воды, и каждый раз при этом теряет часть ранеесвязанного с ним Fe, что приводит к относительному обогащению ЖМО марганцем.Насколько резко произойдет это разделение зависит от геологического временипребывания Mn в океане.

Таким образом, Mn взначительно большей степени, чем Fe, связан с гидросферой и судьба егополностью контролируется изменениями в физико-химических параметрах морскойводы (Еh, рН и др.). Для современного океана эндогенные проявления имеют узколокальный характер и их последствия быстро нейтрализуются несопоставимобольшими массами окисленной морской воды. Жизнеспособность восстановленныхгидротермальных флюидов зависит от длительности функционирования питающих ихисточников, в отдельных случаях это может продолжаться тысячи или десятки тысячлет, но и эти величины не идут ни в какое сравнение с многомиллионнолетнейисторией окисного рудогенеза в океане, конечным результатом которого являетсяколоссальное накопление Mn .

Краткий обзорособенностей геохимии Mn в океане позволяет понять, почему причины накопленияMn следует искать не в источниках его непосредственной поставки в океан, а всочетании фациально-благоприятных условиий для его отложения и геологическойдлительности существования Океана на Земле.

О перспективах освоения рудных ресурсов

Идея освоения рудныхресурсов океана возникла на базе значительных достижений в области исследованийокеанского дна, проводившихся ведущими мировыми державами в эпоху холоднойвойны и активной конкуренции за приоритет в освоении океана как стратегическогопространства. Естественно, что эта идея получила поддержку руководства каждойиз конкурирующих сторон, поскольку руды марганца и кобальта рассматривались какстратегическое сырье. В океане были проведены сотни специализированных рейсовнаучно-исследовательских судов США, СССР, а также Индии, Японии, европейскихстран, Австралии, Новой Зеландии и ЮАР. Было получено и обработано невиданноеранее количество новой информации о рудном потенциале океана (табл.2), на что было истрачено, поориентировочной оценке, около 4 млрд долл. 

/>
 

Атлантический океан Индийский океан Тихий океан Западная часть                                  Восточная часть

Площадь в тыс.км2

Mn/Fe Ресурсы Mn в млн.т.

Площадь в тыс.км2

Mn/Fe Ресурсы Mn в млн.т.

Площадь в тыс.км2

Mn/Fe Ресурсы Mn в млн.т.

Площадь в тыс.км2

Mn/Fe Ресурсы Mn в млн.т. 320 0,98 - 202 0,8 206 615 1,9 2070 8094 1,6 12014 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

Площади распространения ЖМО в океанахи оценка прогнозных ресурсов Mn в рудных полях

Одновременно решались идругие аспекты этой проблемы — технические, правовые, экологические,экономические.

Технические проблемызаключаются в способах добычи, транспортировки и переработки. Из различныхметодов разработки железомарганцевых конкреций и фосфоритов наиболееперспективны гидроподъемный и эрлифтный (подъем с помощью сжатого воздуха). Длятранспортировки сырья предполагалось использовать обычные сухогрузные суда.Переработка конкреций и корок методами пиро- и гидрометаллургии была успешноопробована 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 Международногооргана по морскому дну, которая была уполномочена выдавать лицензии назаявочные участки. Наиболее перспективная для добычи конкреций зонаКларион-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.

/> <td/> />
Распределение заявленныхучастков 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 цветомпоказаны участки французской ассоциации AFERNOD, серым — резервные площадиМеждународного органа по морскому дну.

Экологические проблемы,связанные с нарушением среды как на дне, так и в фотическом горизонте воднойтолщи, предполагалось разрешить путем минимизации взмучивания придонного слоя,а также выводом продуктов промывки конкреций с борта судна на глубинунескольких сот метров по специальному трубопроводу.

Наконец, наиболеекритическая проблема, ставшая первостепенной, — рентабельность предприятия вцелом. Еще в конце 70-х годов было подсчитано, что капитальные затраты насоздание производственного комплекса по добыче и переработке 3 млн т конкрецийв 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 учетомнестабильности океанской среды, изменчивости ситуации на рынках сбыта, аглавное, при отсутствии стратегического стимула, такой экономический риск неоправдан.

Но работавшие в этойобласти специалисты считают, что накопленный опыт по освоению подводныхместорождений необходимо тщательно сохранять и приумножать, дабы немедленно егореализовать в случае изменения экономической ситуации в мировой экономике итехнологиях, могущих вызвать повышение цен на черные и цветные металлы.

/>

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 океанаоколо 130 лет назад железомарганцевых конкреций и фосфоритов было первымсвидетельством сосредоточения в океане рудных ресурсов. Бурное ускорениеисследований рудного потенциала океана началось в 60-70-х годах прошлого столетияв ходе конкуренции мировых держав за освоение стратегического пространства истратегического сырья. По ресурсам некоторых видов рудного сырья океан неуступает континентам. Это относится в первую очередь к кобальт-марганцевымрудным коркам и фосфоритам, а в перспективе, видимо, и к сульфидам.

Результаты выполненных кнастоящему времени поисково-разведочных работ, технических и технологическихиспытаний свидетельствуют о практической возможности освоения рудных ресурсовокеана, включая обеспечение соответствующих природоохранных мероприятий.

Однако возобновлениеэтого комплекса работ, приостановленных сейчас в связи с изменениемполитической ситуации в мире, произойдет лишь при повышении экономическойконкурентоспособности 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.Металлоносныеосадки Мирового океана. М., 1998.

 

4.   Ресурсы WWW