Анализ экологического воздействия разработок подводных месторождений твердых полезных ископаемых
Ю.В. Кириченко, д-р техн. наук, проф. кафедры геологии и маркшейдерского дела горного института НИТУ «МИСиС»
А.С. Каширский, эксперт, Министерство промышленности и торговли РФ
Г.С. Иващенко, аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела горного института НИТУ «МИСиС»
Необходимость освоения минерально-сырьевых богатств Мирового океана давно уже ни у кого не вызывает сомнений. Этому служат, как минимум, четыре причины:
– оскудение и исчерпание месторождений на континентальной суше;
– резкий рост объемов и расширение перечня добываемых полезных компонентов, необходимых для дальнейшего развития человечества;
– проблемы с энергоресурсами, в том числе из-за резкого роста энергозатрат на возросшие объемы обогащения все более бедных руд и других полезных ископаемых;
– рост экологических проблем вследствие целого ряда факторов, связанных с расширением горных работ (нарушение земель, изменение рельефа, загрязнение атмосферы, поверхностных и подземных вод и т.п.) [1, 2].
Социально-экологические проблемы
Развитие цивилизации с сопутствующими ей ростом населения и технократизацией резко обострили проблемы биосферы Земли, в которой все большую часть начинает занимать техносфера, охватывающая атмосферу, литосферу и гидросферу, а также обостряется проблема минерально-сырьевых перспектив. Если еще 100–150 лет назад основные промышленные производства были сосредоточены в Европе и Северной Америке, то в настоящее время идет их перенос и распространение в Азию (в первую очередь Индокитай), Южную Америку, Африку, Австралию (ближе к источникам сырья). Кроме того, основную роль здесь играют дешевая рабочая сила и отнесение экологических проблем подальше от территорий стран – лидеров политической системы мира. В принципе необходимо признать, что в пределах нашей планеты формируется глобальная природно-техногенная система, причем с постоянным ростом ее технической части и уменьшением природной составляющей. Управление этой системой, особенно в политической, экономической и минерально-сырьевой областях, является основной задачей США уже в течение более века [1].
Минерально-сырьевая безопасность
С учетом В связи с нарастанием в последние десятилетия негативных тенденций в отношениях с формирующейся неоколониальной системой России приходится восстанавливать былую стратегическую безопасность. Основой такой безопасности и ее обеспечения является минерально-сырьевая безопасность, включающая:
– наличие разведанных запасов;
– наличие геологоразведочной службы, приращивающей запасы;
– наличие технологий, производств и структур, позволяющих обеспечивать весь комплекс работ – от разведки и освоения до переработки сырья и получения требуемого продукта;
– наличие научно-исследовательской, образовательной и конструкторской базы для обеспечения производств и подготовки специалистов;
– наличие внятной государственной политики по всем аспектам обеспечения минерально-сырьевой безопасности и т.д.
Однако минерально-сырьевой комплекс, созданный в СССР до 1990-х годов и обладающий большим запасом устойчивости и способностью к выживанию по сравнению с другими отраслями экономики в период «реформирования и демократизации», в настоящее время тоже оказался в критическом положении. Статистика свидетельствует, что всего лишь 1 млн человек, работающих в горной промышленности, (из более чем семидесяти миллионов трудоспособного населения) формирует более 12% валового национального продукта РФ. В своем послании Второму Национальному Горнопромышленному форуму президент РФ В.В. Путин особо отметил, как одну из важнейших задач «...расширение ресурсной базы страны...».
Эту и другие задачи, обеспечивающие минерально-сырьевую безопасность и общее развитие нашей страны, может решить лишь освоение ресурсного потенциала Мирового океана – последнего резерва минерального сырья на нашей планете [1–4].
США, КНР, Япония, Канада, Великобритания, Австралия и другие развитые страны в последние десятилетия все большее внимание обращают на проблему промышленного освоения минерально-сырьевого потенциала Мирового океана. Запасы полезных ископаемых морского дна могут обеспечить расширение спектра и увеличение объемов используемого в прогрессе минерального сырья. Возрастающая с каждым годом потребность в нем и другие перечисленные выше причины делают эту проблему весьма актуальной сейчас и на ближайшие десятилетия [1–5]. Кроме нефти и газа, добыча которых в морских акваториях неуклонно растет, к ценным ресурсам дна Мирового океана относятся и твердые полезные ископаемые: железомарганцевые образования (ЖМО – конкреции и корки) и илы, содержащие редкоземельные элементы [2–6]. Освоение месторождений этих полезных ископаемых по сложности задачи сравнимо с освоением космоса, а по капвложениям и долгосрочности перспектив – даже превосходит.
Экология океана
Однако, кроме трудностей, связанных с технической сложностью добычи и значительными экономическими затратами, существует весьма существенная экологическая проблема. Экологические последствия добычи полезных ископаемых в акваториях довольно неоднозначны, а авария в Мексиканском заливе при добыче нефти компанией «Бритиш Петролеум» 20 апреля 2010 г. вообще чуть не поставила крест на самой идее разработки морских месторождений. Последствия этой катастрофы, несмотря на активное противодействие и замалчивание заинтересованных кругов, связывают не только с биотой океана, но и с изменением климата вследствие влияния аварии на зарождающееся здесь течение Гольфстрим.
Международная океанографическая комиссия ЮНЕСКО еще в прошлом столетии приняла определение, в соответствии с которым под загрязнением моря понимается введение в морскую среду веществ или энергии, приводящее к вредным или необратимым последствиям, наносящим ущерб живым ресурсам и здоровью людей, созданию помех деятельности морских организмов, ухудшению качества морской среды и нарушению элементов системы «океан–атмосфера». Такое определение сохранения экологического равновесия МО, отменяет все виды человеческой деятельности, вплоть до считающимися достаточно экологически безопасными рыболовством, морским транспортом, береговым строительством, морскими курортами и т.д.
Исходя из этого геологоразведочные работы и добыча ЖМО воздействуют на морскую среду, но в какой степени?
Особенностью океанических вод является их многокомпонентный состав (растворимые соли, цветные химические элементы, их изотопы и различные соединения). Хлористые соединения, преобладающие в океане и практически отсутствующие в реках, определяют планетарный обмен веществ. Биологическая продуктивность океанической среды зависит от интенсивности поглощения фитопланктоном питательных соединений и скоростью их поступления в зону фотосинтеза. В частности, одноклеточные водоросли наиболее активно поглощают соединения фосфора и органически связанного азота при условии наличия растворенного кислорода.
Особенностью океана является также то, что с глубиной возрастает количество питательных веществ, так как в приповерхностном слое сосредоточен фитопланктон, потребляющий биологические элементы.
С глубины 800–1000 м концентрация питательных веществ достигает максимальных значений, незначительно изменяясь затем во всей остальной толще вод океана. Речной сток, разрушение берегов и вынос из глубин океана в местах подъема вод восполняют биогенные продукты. Недостаток растительной пищи влечет к ограничению размножения зоопланктона, рыб и других морских животных.
Как известно, кислород образуется в результате фотосинтетической деятельности водорослей, живущих в приповерхностном слое (куда проникают солнечные лучи), а попадает в океаносферу в процессе газообмена с атмосферой. В поверхностном слое океана воды близки к насыщению, а кислород в основном расходуется на окисление минеральных и органических продуктов, поэтому 90% органических веществ разрушается в верхнем 200-метровом слое. Перенос кислорода в глубину происходит посредством вертикальных течений, но они также переносят и загрязнения.
Фотосинтез ежегодно образует более 150 млрд т кислорода, большая часть которого выделяется в атмосферу. Вместе с тем фитопланктон поглощает 772 млн т азота в год. Все это свидетельствует о том, что фотосинтетическая деятельность океана оказывает определяющее влияние на газообмен всей планеты и Мировой океан является одним из важнейших поставщиков кислорода в атмосферу. Естественно, любые техногенные воздействия на океаносферу могут нарушить этот природный процесс.
Солнечный свет проникает в глубину океана максимум до 800 м, кроме этого в жизни океанов большое значение имеют также давление, температура и плотность. На больших глубинах средняя плотность воды может достигать 1,07 г/см3, давление увеличивается на 1 атм через каждые 10,3 м, температура с глубиной понижается, и на глубинах 1–1,3 км она колеблется от +2...+3 до 1,6 °С. Все это определяет то, что растительный и животный мир в океане в основном сосредоточен на глубинах до 1500 м, на глубинах больше 3000 м обитает только 0,6% живых существ океана [6].
Экологические аспекты опробования и разработки ЖМО
Основными отрицательными воздействиями для морской среды при освоении месторождений морского дна будут являться:
– увеличение концентрации взвешенного в морской воде материала;
– нарушение кислородного режима в данном регионе;
– преобразование рельефа в месте разработки;
– накопление химических веществ;
– негативное воздействие на биоту мирового океана при незначительных глубинах разработки (например, в шельфовых зонах).
В то же время необходимо отметить, что потенциальная экологическая опасность ЖМО руд возникает лишь при переделе руд, а в самих залежах (in situ) не обнаружена. Конечно, разработки в океане должны быть максимально безопасными для окружающей природной среды. Причем основным фактором, обеспечивающим ресурсосбережение и охрану окружающей природной среды (ОПС) при морских разработках, является высокая адекватность используемой или проектируемой технологии горных работ и применяемого для этих целей оборудования состоянию природной среды. Анализируя опыт проведенных геологоразведочных и опытно-промышленных работ на подводных месторождениях ТПИ и предлагаемые технологии и оборудование для их освоения, можно выделить классические для горного дела три основные операции:
1) разработка (забор полезного ископаемого);
2) подъем (транспортирование) на поверхность;
3) погрузка на надводные транспортные средства.
На каждом этапе работ имеются одинаковые виды негативного воздействия на ОПС, а также определенные отличия. Подробнее их можно охарактеризовать следующим образом:
1. Воздействие на этапе разработки:
– шум и вибрация от работающего оборудования;
– изменение рельефа при заборе полезного ископаемого;
– загрязнение придонного слоя воды мутью;
– возможное загрязнение вод ГСМ при протечках;
– возникновение температурных и электромагнитных полей от работающих механизмов и элементов питания.
2. Воздействие на ОПС при подъеме полезного ископаемого:
– шум и вибрация при трубопроводном транспорте;
– опасность загрязнения водной среды в случае аварий и протечек;
– воздействие на живые организмы в верхних слоях океанов;
– возникновение разности потенциалов при движении пульпы по трубам.
3. Погрузка в надводные суда и транспорт к заказчику:
– загрязнение воды ГСМ и подсланевыми водами;
– муть и взвеси от загружаемой пульпы и сброса отработанной воды;
– изменение состава верхних биообитаемых слоев моря «мертвыми» донными водами;
– шумовое и вибрационное воздействие от работающего оборудования и механизмов;
– возникновение дополнительных физических полей (температурных, магнитных и т.п.);
– общее отрицательное влияние на биоту.
До масштабной разработки ЖМО еще очень далеко, несмотря на интенсификацию работ в этой области. Анализ результатов первых опытов по освоению морских месторождений твердого минерального сырья и широкомасштабного ведения геологоразведочных работ на них свидетельствует о незначительности этих загрязнений в общем балансе суммарных техногенных воздействий и природными процессами. Промышленная добыча ЖМО, конечно, приведет к усилению техногенного воздействия на экосистему Мирового океана, но, конкретно, по каким позициям и в какой степени? Можно с уверенностью сказать, что любые предлагаемые технологии добычи изменят структуру и рельеф дна. Но предполагаемые районы разработки имеют по площади тысячные доли процента от общей площади Мирового океана, а волновые явления (особенно штормы и цунами) преобразовывают рельеф прибрежных зон в гораздо больших масштабах. Донные тралы, вылов крабов, трепангов, лангустов и т.п. тоже вызывают изменение рельефа, притом в наиболее обитаемой толще океанических вод.
Проект «Nautilus Minerals»
В качестве примера можно рассмотреть постоянно откладываемый, в том числе из-за экологических неурядиц, пилотный проект «Salwara-1» в море Бисмарка канадской компании «Nautilus Minerals». Его площадь составляет всего 59 км². Технология разработки предусматривает сбор полезных ископаемых практически с поверхности с минимизацией физического нарушения рельефа дна.
Однако только согласования по экологической составляющей этих разработок с правительством Папуа-Новой Гвинеи заняли несколько лет и включали сотни ограничений и обязательств и до сих пор не принесли приемлемого решения. Например, когда компания в очередной раз озвучила свои «радужные» планы жителям острова Багабаг (Bagabag), те сообщили морскому биологу Рину Стэйнеру из университета Alaska Anchorage, что они против горнодобывающих работ в их акватории. Стэйнер от имени и по поручению Совета острова писал: «Ясно, что проект нестабильный, так как он использует сравнительно конечный минеральный ресурс, продолжается только 30 месяцев, привносит сравнительно небольшую сумму денег Новой Гвинее Папуа, сильно повреждает бентос в экзотической экосистеме.
Жителей беспокоит, что лодки, баржи, и тяжелое оборудование могут случайно загрязнить воды и побережье, их заботит хранение тысяч тонн мокрой массы сульфидов, топлива, и других опасных материалов. Сульфиды могут быстро окислиться, как только они перейдут из низкокислородной глубоководной среды на поверхность – они могут перейти в серную кислоту».
Проблема «мертвой» воды и замутненности
Значительной опасностью можно признать подъем с больших глубин при отборе проб и добыче ЖМО так называемой «мертвой» воды, бедной кислородом и имеющей низкую температуру, в поверхностные горизонты океанических вод – главное местообитание биомассы океана.
Следовательно, проектирование оборудования и технологий для добычи ЖМО должно осуществляться с условием минимизации объемов поднимаемой вместе с полезными ископаемыми вмещающих вод.
В проекте «Nautilus Minerals» предусмотрено «донную» шламовую воду фильтровать, а затем закачивать в место добычи на глубину. Конечно, полностью такая технология эту проблему не решает, так как сброс такой воды будет взмучивать донный ил и несколько нарушать температурный режим у дна, но не более чем это вызывает траловое рыболовство или вылов беспозвоночных. В то же время в Горном институте НИТУ «МИСиС» разработаны два вида аппаратов для добычи конкреций, которые практически полностью исключают подъем глубинных вод [5, 7].
Минеральная муть, образующаяся при отделении ЖМО от забоя, и сбрасываемая в океаническую среду взвесь, также могут оказать негативное воздействие на некоторые морские организмы. Известно, что коралловые полипы погибают в замутненной воде, некоторые планктонные организмы также избегают районов с повышенной мутностью. Здесь выход один – технология добычи должна быть такой, чтобы слой замутненной воды был минимальным и не распространялся за пределы разрабатываемой площади. Кроме того, многочисленные исследования свидетельствуют, что локальные глубоководные биосистемы восстанавливаются уже несколько лет после окончания работ. Однако необходимо учитывать, что в масштабах геологического времени наши техногенные воздействия прикладываются мгновенно и с очень высокой интенсивностью. Следовательно, негативные экологические последствия будут возникать и накладываться друг на друга не только в процессе разработки месторождений морского дна, но и могут быть растянуты на длительное время даже после окончания работ.
С тех пор как были обнаружены месторождения полезных ископаемых на дне Мирового океана (нефть, газ, россыпи цветных и благородных металлов, полиметаллические конкреции и корки, редкоземельные илы и т.п.) множество стран разрабатывает технологии и предпринимает попытки освоения глубоководных месторождений.
Анализ геоэкологических последствий морских разработок и задачи исследований
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости всестороннего изучения геоэкологических последствий широкомасштабного освоения минерально-сырьевых ресурсов Мирового океана. Однако, несмотря на неуклонное расширение масштабов горных работ с увеличением глубин разработки, сегодня степень данного воздействия сложно даже достоверно моделировать вследствие ограниченности информации из-за отсутствия опыта ведения добычных работ на больших глубинах и недостаточности изученности районов потенциальных разработок.
Информация о формах концентрации потенциальных токсикантов в ЖМ образованиях, особенно на этапах передела и обогащения руд, их транспортировки и хранения, в общемировом масштабе практически не обобщается.
Хотя представители «Nautilus Minerals» утверждают, что достаточно глубоко изучили экосистемы района разработок с помощью подводной исследовательской аппаратуры и подводных аппаратов, разработали практически полностью роботизированные комплексы (чтобы исключить человеческий фактор) с учетом минимизации воздействия на ОПС и т.д., и т.д. Но, конечно, работа добычных роботизированных комплексов на дне океана не может пройти без последствий для местной биоты. Поэтому многие морские биологи предупреждают, что экономические и политические интересы добычи превалируют над готовностью ученых оценить риск воздействия на окружающую среду. Так, по мнению профессора Верены Таннинклифф (Verena Tunnicliffe) из канадского университета Виктории, роботизированные экскаваторы вполне могут уничтожить глубоководные экосистемы, которые еще плохо изучены (а таких, как полагают ученые, тысячи и тысячи).
Анализ информации об экологии подводной добычи позволяет сделать вывод, что при таких работах весьма высока вероятность нарушения химических и биологических процессов в Мировом океане вследствие загрязнения водной толщи взвесью тонкодисперсных и коллоидных частиц вмещающих ЖМК отложений и других факторов. Однако, эти вещества имеют природное происхождение и свойственны обмену веществ на Земле, в отличие, например, от пластика, загрязнение которым Мирового океана уже приняло характер общепланетной глобальной катастрофы.
Также можно отметить, что морские разработки по своим масштабам гораздо менее воздействуют на ОПС, чем горные работы на континентальной суше. Во-первых, полезные компоненты в ГПС сконцентрированы гораздо плотнее на меньших площадях, во-вторых, они залегают практически на поверхности. Все это предопределяет гораздо меньшее воздействие на земную кору. Кроме этого, разработки на морском дне требуют меньшего количества механизмов и оборудования на равный объем полезных компонентов, чем для их получения на месторождениях суши.
Вопрос о степени воздействия при морских горных разработках остается спорным до сих пор, обсуждается с привлечением самых авторитетных специалистов «за» и «против» практически на всех международных форумах.
Например, на последнем Петербургском международном экономическом форуме освоению ресурсов Мирового океана даже была посвящена специальная сессия.
Как уже отмечалось, основная экологическая опасность глубоководных разработок, заключается в интенсификации вертикального водообмена в океанической толще, что изменяет и нарушает естественные природные процессы. Нельзя отрицать наличие во многих акваториях океанов нашей планеты зон и районов, связанных с поверхностными и глубинными течениями, где существует высокая интенсивность переноса загрязняющих веществ в горизонтальном направлении.
Выводы
Конечно, нарушения естественной природной среды океана при разработке ЖМО не избежать, но минимизировать его необходимо. Можно констатировать, что с учетом процентного содержания полезных компонентов в ЖМО и рудах месторождений суши, отрицательное воздействие на ОПС морских разработок будет на несколько порядков ниже, чем при разработке известных континентальных месторождений.
В любом случае реальный ущерб природной среде и действенные меры по его предотвращению можно будет оценить лишь в результате производства крупной промышленной добычи ЖМО на различных месторождениях, т.е. отличающихся геологическими условиями и экологической обстановкой.
Однако обязательным условием организации такой добычи должна быть разработка природоохранных мероприятий, включающих как минимум следующие этапы:
1. Изучение фоновых показателей водной среды, донных отложений и биоты с составлением карт районов образования; выбор эталонных неразрабатываемых участков для сравнительного мониторинга.
2. Определение (изучение) допустимых уровней загрязнения; прогноз последствий.
3. Постоянный мониторинг морской среды по всем показателям.
4. Определение наиболее уязвимых в экологическом отношении участков и разработка мер по предотвращению или минимизации ущерба ОПС.
5. Разработка нормативов и определение ПДК (с перечнем веществ) применительно к условиям морских разработок по районам разработок.
