Study of the impact of low ambient air and seawater temperatures on the possibility of mining solid minerals in arctic waters

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-81-88

Читать на русскоя языкеV.E. Kislyakov, P.V. Katyshev, A.N. Anushenkov, Ya.E. Linkov, A.K. Kirsanov
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation

Abstract: The Arctic continental shelf, extending from the coastline to the border of the exclusive economic zone of the Russian Federation, is one of the most important storages of the most sought-after solid minerals: placers of tin, gold, platinum and diamonds scattered in sedimentary rock layers emphasize the geological wealth of this region. This article presents an overview of the mineral resource potential located along the Arctic continental margin of the Russian Federation. The paper shows the monthly average temperatures in the Arctic region using ERA5 reanalysis data, which indicates a negative ambient temperature range almost all the year round, with a short summer pause of 3 months. The study highlights the main negative categories of subzero temperature effects on mining equipment performance, efficiency and personnel safety, as well as demonstrating general challenges. The paper demonstrates average annual air and water temperatures in the Arctic part of the Russian Federation, based on which zones with different degrees of favorable conditions for mining operations were determined. According to this zoning, any deposit of solid minerals located on the Arctic continental shelf should be developed not only taking into account the known classifications based on the depth of the mineral occurrence, but also the criterion of the possible duration of the season. Based on this assertion, a flowchart has been developed to allow a subsoil user to select a suitable technology among the competing options. The presented study can serve as a checklist for mining companies engaged in subsea mining of solid minerals in the Far North.

Keywords: Arctic mining, mineral resources, Arctic shelf, extreme weather conditions, underwater mining, offshore field development technologies

For citation: Kislyakov V.E., Katyshev P.V., Anushenkov A.N., Linkov Ya.E., Kirsanov A.K. Study of the impact of low ambient air and seawater temperatures on the possibility of mining solid minerals in arctic waters. Russian Mining Industry. 2024;(4):81–88. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-81-88

Article info

Received: 02.06.2024

Revised: 04.07.2024

Accepted: 09.07.2024

Information about the authors

Victor E. Kislyakov – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Surface Mining, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. Pavel V. Katyshev – Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of the Department of Surface Mining, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Aleksandr N. Anushenkov – Dr. Sci. (Eng.), Head of the Department of Underground Deposit Development named after N.H. Zagirov, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Yaroslav E. Linkov – Post-Graduate Student of the Department of Surface Mining, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Aleksandr K. Kirsanov – Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of the Department of Mine and Underground Construction, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation; e-mail This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

References

1. Мухарев А.А., Кубрин С.С. Вопросы детальной разведки твердых полезных ископаемых и ее маркшейдерское сопровождение на шельфе Арктики. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016;(2):231–235. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2016/2/231_235_2_2016.pdf (дата обращения: 29.05.2024). Mukharev A.A., Kubrin S.S. Questions detailed exploration of solid minerals and surveying its support on the Arctic shelf. Mining Informational and Analytical Bulletin. 016;(2):231–235. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2016/2/231_235_2_2016.pdf (accessed: 29.05.2024).

2. Мухарев А.А. Кубрин С.С. Маркшейдерское и навигационное обеспечение разработки твердых полезных ископаемых на шельфе Арктики. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(8):106–112. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2015/08/106-112_8_2015.pdf (дата обращения: 29.05.2024). Mukharev A.A., Kubrin C.S. Surveying and navigation support the development of solid minerals on the Arctic shelf. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(8):106–112. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2015/08/106-112_8_2015.pdf (accessed: 29.05.2024).

3. Иванова А.М., Смирнов А.Н., Ушаков В.И. Минерально-сырьевая база твердых полезных ископаемых шельфовых областей России: ресурсная значимость, перспективы наращивания и освоения. Горный журнал. 2012;(3):42–49. Режим доступа: https://www.rudmet.ru/journal/675/article/8724/ (дата обращения: 29.05.2024). Ivanova A. M., Smirnov A. N., Ushakov V. I. Sources of the mineral raw materials of the sea shelf areas of Russia (solid minerals): resource value, perspectives for growth and development. Gornyi Zhurnal. 2012;(3):42–49. (In Russ.) Available at: https://www.rudmet.ru/journal/675/article/8724/ (accessed: 29.05.2024).

4. Смирнов А.Н., Иванова А.М., Пашковская Е.А. Подводные месторождения твердых полезных ископаемых в шельфовых областях России. Горный журнал. 2013;(11):51–58. Режим доступа: https://www.rudmet.ru/journal/1246/article/21186/ (дата обращения: 29.05.2024). Smirnov A.N., Ivanova A.M., Pashkovskaya E.A. Underwater deposits of solid minerals in Russian shelf areas. Gornyi Zhurnal. 2013;(11):51–58. (In Russ.) Available at: https://www.rudmet.ru/journal/1246/article/21186/ (accessed: 29.05.2024).

5. Каминский В.Д., Супруненко О.И., Смирнов А.Н. Минерально-сырьевые ресурсы арктической континентальной окраины России и перспективы их освоения. Арктика: экология и экономика. 2014;(3):52–61. Режим доступа: http://arcticaac.ru/article/249/ (дата обращения: 29.05.2024). Kaminsky, V.D., Suprunenko, O.I., Smirnov, A.N. Mineral resources of the Russian Arctic continental margin and prospects for their development. Arctic: Ecology and Economy. 2014;(3):52–61. (In Russ.) Available at: http://arctica-ac.ru/article/249/ (accessed: 29.05.2024).

6. Kirsanov A.K., Katyshev P.V. Economic drivers of seabed mining. Izvestiya vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 2024;(1):20–26. Available at: https://www.mining-science.ru/download/2024/1-2024/002.pdf (accessed: 24.06.2024).

7. Smirnov A.N., Babaeva S., Manevich A.I. Russian Arctic shelf mineral resource potential. Paper No. 3286. Available at: https:// www.americangeosciences.org/sites/default/files/igc/3286.pdf (accessed: 21.04.2024).

8. Стоцкая Д.Р. Демографические проблемы. Рост числа населения планеты. Наука через призму времени. 2020;(8):40– 42. Режим доступа: http://www.naupri.ru/journal/2638 (дата обращения: 29.05.2024). Stotskaya D.R. Demographic problems. Global population growth. Nauka Cherez Prizmu Vremeni. 2020;(8):40–42. (In Russ.) Available at: http://www.naupri.ru/journal/2638 (accessed: 29.05.2024).

9. Абдушева Е.А. Рост населения Земли как угроза для планеты. Международный журнал Наука Плюс. 2020;(1):87–90. Abdusheva E.A. Earth’s population growth as a threat to the planet. International Journal Science Plus. 2020;(1):87–90. (In Russ.)

10. Квагинидзе В.С., Козлов В.А. Влияние низких отрицательных температур на работоспособность металлоконструкций горных машин. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003;(9):16–18. Kvaginidze V.S., Kozlov V.A. Influence of low negative temperatures on serviceability of metal structures of mining machines. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2003;(9):16–18. (In Russ.)

11. Охлопков Т.Н. Влияние низких температур на тепловой режим гидроагрегатов автогрейдера ДЗ-98. Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2020;17(3):316-327. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-3-316-327 Okhlopkov T.N. Low temperatures effect on thermal conditions of DZ-98 autograder hydraulic units. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2020;17(3):316–327. (In Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-3-316-327

12. Голубев И.А. Исследование причин нарушения работоспособности узлов горной техники в условиях Арктики и Северо-Востока. В кн.: Актуальные научные исследования: сб. ст. 11-й Междунар. науч.-практ. конф., г. Пенза, 5 апр. 2023 г. Пенза: Наука и просвещение; 2023. С. 75–79. Golubev I.A. Research of the causes of disturbance of the functionality of mining equipment unit in the conditions of the Arctic and the North-East. In: Current scientific research: Collection of articles. 11th International Scientific and Practical Conference, Penza, April 5, 2023. Penza: Nauka i prosveshchenie; 2023, pp. 75–79. (In Russ.)

13. Тоскунин И.С. Основные неисправности и особенности подготовки тяжелой техники на примере карьерного самосвала БЕЛАЗ 75131 в условиях Крайнего Севера. Научный взгляд в будущее. 2019;1(14):67–71. Toskunin I.S. The main malfunctions and features of the preparation of heavy machinery on the example of the dump truck Belaz 75131 in the Far North. Scientific Look into the Future. 2019;1(14):67–71. (In Russ.)

14. Нафиков Р.З., Кисляков В.Е. Технология дражной разработки россыпных месторождений в условиях Крайнего Севера: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2021. 184 с.

15. Чооду О.А. Опыт эксплуатации и эффективность применения горных и горнотранспортных машин северного исполнения. Вестник Тувинского государственного университета. Вып. 3. Технические и физико-математические науки. 2022;(2):27–33. Choodu O.A. Operational experience and efficiency of the use of mining and mining transport machines of northern design. Vestnik of Tuvan State University. Issue 3. Technical Sciences, Physical and Mathematical Sciences. 2022;(2):27–33. (In Russ.)

16. Ivanov S.L., Ivanova P.V., Kuvshinkin S.U. Weather conditions as a factor affecting the performance of modern powerful mining excavators. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1399:044070. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1399/4/044070

17. Данилов А. Арктика: обеспечение гидрометеорологической безопасности освоения. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2012;(11):С. 58–63. Danilov A. The Arctic: ensuring hydrometeorological safety of development. Delovoy Zhurnal Neftegaz.RU. 2012;(11):С. 58– 63. (In Russ.)

18. Корнишин К.А. Обеспечение защиты от айсберговой угрозы объектов обустройства нефтегазовых месторождений арктического шельфа: дис. канд. техн. наук. М.; 2022. 109 с.

19. Трофимов А.Г. Современные тенденции изменения океанографических условий Баренцева моря. Труды ВНИРО. 2021;186:101–118. https://doi.org/10.36038/2307-3497-2021-186-101-118 Trofimov A.G. The current trends in oceanographic conditions of the Barents Sea. Trudy VNIRO. 2021;186:101–118. (In Russ.) https://doi.org/10.36038/2307-3497-2021-186-101-118

20. Якшина Д.Ф., Голубева Е.Н. Исследование климатических изменений в Чукотском море и море Бофорта на основе численного моделирования. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022;15(2):60–75. https://doi.org/10.59887/fpg/zkvg-71uu-xk44 Iakshina D.F., Golubeva E.N. Recent Climatic Change Research in the Chukchi and Beaufort Seas Based on Numerical Simulation. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022;15(2):60–75. https://doi.org/10.59887/fpg/zkvg-71uu-xk44

21. Линьков Я.Е., Кисляков В.Е., Кирсанов А.К., Катышев П.В. Раскрытие взаимосвязи между свойствами морской воды и добычей полезных ископаемых со дна арктического шельфа. Маркшейдерия и недропользование. 2024;(1):10–16. Linkov Ya.E., Kislyakov V.E., Kirsanov A.K., Katyshev P.V. Uncovering the relationship between seawater properties and mineral extraction from the arctic shelf floor. Mine Surveying and Subsurface Use. 2024;(1):10–16. (In Russ.)

22. Ржевский В.В., Нурок Г.А. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. М.: Недра; 1979. 381 c.

23. Козлов М.Ю. Совершенствование технологий гидроподъема при освоении шельфовых месторождений железо-марганцевых конкреций на основе исследования гидродинамических процессов: дис. канд. техн. наук. М.; 2016. 147 с.