Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Введение
разных авторов, посвященных лишь одному какому- либо виду природных ресурсов. Эффект единого замысла реализован Б. Дж. Скиннером очень полно. В общем итоге автором описывается полный перечень земных ресурсов самых разнообразных видотв. Попытка описания их в одной книге позволяет ярко оценить специфику каждого на фоне единых принципов описания их, вместе взятых. Удачно показано автором, насколько различны ситуации перспективной обеспеченности общества ресурсами отдельных видов и насколько своеобразны по своему характеру возникающие при этом проблемы.
Большим достоинством книги, особенно для отечественного читателя, является обилие хорошо систематизированных информационных материалов. Книга написана сжато, компактно, но ярким доходчивым языком.
Все отмеченное выше дает основание считать, что книга Б. Дж. Скиннера будет с пользой и интересом прочитана широким кругом наших читателей.
Д. Астахов
Наше общество целиком покоится на наших воде, земле, лесах и полезных ископаемых. От того, как мы используем эти ресурсы, зависят наши здоровье, безопасность, экономика и благополучие. (Дж. Ф. Кеннеди. Послание Конгрессу о национальных ресурсах. 23 февраля, 1961 г.)
Ресурсы — слово, имеющее много смысловых оттенков. Его можно использовать для описания смелости, необходимой, чтобы без страха встретить личные невзгоды; дров, нужных, чтобы натопить печь и обогреть дом; денег, требуемых для оплаты неожиданных медицинских расходов. Все ресурсы, о которых пойдет речь в этой книге, имеют одну общую черту — они относятся к природным ресурсам, т. е. являются запасами сырья и энергии, извлекаемыми из земли, такими, как пища, строительные материалы, удобрения, металлы, вода и геотермальная энергия.
Природные ресурсы необходимы каждому живому существу. Мы, Homo sapiens, научились использовать громадное количество природных ресурсов, от которых теперь зависим. На этом пути наш людской род изменил естественное распространение многих видов животных, решительно перекроил жизнь растений. В результате сложилась форма контролируемого существования, которую мы называем цивилизацией. Благодаря выведению более продуктивных и стойких сортов растений мы научились бороться с превратностями климата и таким образом значительно увеличили урожаи нужных нам культур. Как следствие мы расширили сферу нашего обитания до самых дальних пределов земного шара и превзошли количество населения, которое когда-то находилось в стабильном равновесии с природой. Но, похоже, мы сами себя загнали в угол, а большой свободы выбора у нас нет. Сохранение народонаселения на Земле зависит ныне от
непрерывного снабжения природными ресурсами: удобрениями для увеличения урожаев, водой для питья и орошения, металлами для машиностроения, топливом для получения энергии и множеством других материалов) Достаточны ли их количества, чтобы поддержать продолжительную и здоровую жизнь общества? Без непрерывного снабжения природными ресурсами цивилизованное общество непременно рухнет, а человеческая популяция зачахнет. Как только в последние годы мы осознали важность вопросов этого снабжения, мы, по-видимому, перестарались. Так, внезапно в 1983 и 1984 гг. произошло перепроизводство некоторых материалов, таких, как нефть й медь, произошло затоваривание рынка, а некоторые ресурсы, вероятно, использовались недостаточно эффективно.
; Природные ресурсы подразделяются на две различные категории. Ресурсы, обязанные своим происхождением солнечному теплу и свету, называются возобновляемыми ресурсами. К ним относятся дождевая вода, энергия ветра, пища, хлопок и шерсть, древесина, животные. Любой из этих видов ресурсов является возобновляемым, потому что постоянно пополняется за счет солнечной энергии, достигающей земной поверхности. И хотя мы собираем зерно каждый сезон, на следующий год кладовая вновь наполняется, когда вырастает новый урожай. Такая модель возобновления будет действовать до тех пор, пока солнечные лучи поступают на Землю. А минеральные ресурсы — уголь, нефть, медь, железо, уран, удобрения и золото — формируются настолько медленно (миллионы лет на каждый «урожай»), что для практических целей они являются невозобновляемыми ресурсами. Это ресурсы «одного урожая», и их земные запасы четко фиксированы./ Большая часть „ресурсов, рассматриваемых в этой книге* "является минеральными ресурсами и относится к невозобновляемым. Однако ^обсуждаются и нёкотбрые^ви’дьГ возобновляемых ресурсов, таких, как гидроэлектроэнергия, солнечная энергия и запасы воды, поскольку их использование сходно с таковым минеральных ресурсов.
Основное внимание в книге сосредоточено на видах
ресурсов, их размещении, количестве, объемах использования и нашей зависимости от них. Кроме этих существует еще множество вопросов, связанных с обеспеченностью человечества невозобновляемыми минеральными ресурсами. Например, в связи с тем, что промышленно развитые страны попали во все возрастающую зависимость от ресурсов сырья слаборазвитых стран, возникли политические проблемы. Добывающие страны сталкиваются с вопросами, касающимися изъятия земельных площадей, занимаемых горнорудными предприятиями. С интенсивной разработкой минеральных ресурсов тесно связаны вопросы загрязнения окружающей среды. Однако, сколь ни важны эти экономические, социальные и политические вопросы, они лишь упоминаются в книге и из-за малого объема ее подробно не рассматриваются.
/Минеральные ресурсы стали существеннейшей частью нашей жизни. Они являются строительными блоками общества! Но достаточно ли их для обеспечения будущего человечества? Достаточно ли они доступны для эксплуатации? Империи процветали благодаря захваченным, легко добываемым минеральным ресурсам и чахли с их истощением. Распространены ли оставшиеся природные ресурсы настолько, чтобы историческая модель зависимости власти от доступности ресурсов ушла в прошлое, или она все еще остается ключом к будущему? Эти вопросы весьма противоречивы и, скорее всего, не имеют однозначного ответа. Но они стоят и на них, в конце концов, должны быть даны ответы. Все мы знаем, что минеральные ресурсы размещены крайне неравномерно. Ресурсы некоторых видов сырья, таких, как, например, нефть, четко ограниченны, и совершенно очевидно, что мы не можем рассчитывать на сохранение прежних темпов их добычи даже в начале следующего века. Неизбежные перемены коснутся всех нас. Предстоит сделать выбор, и каждый человек, прямо или косвенно, обязан иметь свое мнение. Мы должны сделать будущий выбор с наибольшим пониманием, на которое способны. Эта книга не дает ответов на все вопросы, но она может помочь каждому подойти к будущим решениям.
Учение об основных аспектах, богатства и размеще-
Ресурсы и населениеЧеловеческое тело можно рассматривать как машину, топливом для которой является пища. К сожалению, наше тело не очень эффективная машина в сравнении с паровыми машинами или двигателями внутреннего сгорания. Например, если здоровый и работоспособный человек — мужчина или женщина — займется вращением педалей динамомашины, напоминающей велосипед, то самое большее, чего он сможет добиться,— это свечение стоваттной электрической лампочки в течение рабочего дня. Мускульная сила человека в действительности невелика, и ее ограниченность была очевидна уже для наших предков. Для того чтобы поддерживать жизнеспособность своих общин, возделывать поля, собирать урожай, возводить дамбы и строить церкви, наши предки нашли способы преумножить свою мускульную силу. Сначала они приручили тягловый скот, со временем изобрели паруса, водяные колеса, ветряные мельницы, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и, наконец, электрические моторы.Дополнительные источники энергии ныне значительно превышают мускульную энергию во всех областях нашей жизни — от производства пищи до развлечений. Дополнительная энергия напоминает толпу безмолвных рабов, которые бесконечно и безропотно трудятся, чтобы накормить, одеть, перевезти и уберечь всех нас. При этом, конечно, используется энергия солнца или минеральных ресурсов, таких, как уголь, нефть, уран, а не мускульная сила настоя-Ресурсы и населениеЧеловеческое тело можно рассматривать как машину, топливом для которой является пища. К сожалению, наше тело не очень эффективная машина в сравнении с паровыми машинами или двигателями внутреннего сгорания. Например, если здоровый и работоспособный человек — мужчина или женщина — займется вращением педалей динамомашины, напоминающей велосипед, то самое большее, чего он сможет добиться,— это свечение стоваттной электрической лампочки в течение рабочего дня. Мускульная сила человека в действительности невелика, и ее ограниченность была очевидна уже для наших предков. Для того чтобы поддерживать жизнеспособность своих общин, возделывать поля, собирать урожай, возводить дамбы и строить церкви, наши предки нашли способы преумножить свою мускульную силу. Сначала они приручили тягловый скот, со временем изобрели паруса, водяные колеса, ветряные мельницы, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и, наконец, электрические моторы.Дополнительные источники энергии ныне значительно превышают мускульную энергию во всех областях нашей жизни — от производства пищи до развлечений. Дополнительная энергия напоминает толпу безмолвных рабов, которые бесконечно и безропотно трудятся, чтобы накормить, одеть, перевезти и уберечь всех нас. При этом, конечно, используется энергия солнца или минеральных ресурсов, таких, как уголь, нефть, уран, а не мускульная сила настоя-
Ресурсы и население
Человеческое тело можно рассматривать как машину, топливом для которой является пища. К сожалению, наше тело не очень эффективная машина в сравнении с паровыми машинами или двигателями внутреннего сгорания. Например, если здоровый и работоспособный человек — мужчина или женщина — займется вращением педалей динамомашины, напоминающей велосипед, то самое большее, чего он сможет добиться,— это свечение стоваттной электрической лампочки в течение рабочего дня. Мускульная сила человека в действительности невелика, и ее ограниченность была очевидна уже для наших предков. Для того чтобы поддерживать жизнеспособность своих общин, возделывать поля, собирать урожай, возводить дамбы и строить церкви, наши предки нашли способы преумножить свою мускульную силу. Сначала они приручили тягловый скот, со временем изобрели паруса, водяные колеса, ветряные мельницы, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и, наконец, электрические моторы.
Дополнительные источники энергии ныне значительно превышают мускульную энергию во всех областях нашей жизни — от производства пищи до развлечений. Дополнительная энергия напоминает толпу безмолвных рабов, которые бесконечно и безропотно трудятся, чтобы накормить, одеть, перевезти и уберечь всех нас. При этом, конечно, используется энергия солнца или минеральных ресурсов, таких, как уголь, нефть, уран, а не мускульная сила настоя-
Ресурсы и население
Человеческое тело можно рассматривать как машину, топливом для которой является пища. К сожалению, наше тело не очень эффективная машина в сравнении с паровыми машинами или двигателями внутреннего сгорания. Например, если здоровый и работоспособный человек — мужчина или женщина — займется вращением педалей динамомашины, напоминающей велосипед, то самое большее, чего он сможет добиться,— это свечение стоваттной электрической лампочки в течение рабочего дня. Мускульная сила человека в действительности невелика, и ее ограниченность была очевидна уже для наших предков. Для того чтобы поддерживать жизнеспособность своих общин, возделывать поля, собирать урожай, возводить дамбы и строить церкви, наши предки нашли способы преумножить свою мускульную силу. Сначала они приручили тягловый скот, со временем изобрели паруса, водяные колеса, ветряные мельницы, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и, наконец, электрические моторы.
Дополнительные источники энергии ныне значительно превышают мускульную энергию во всех областях нашей жизни — от производства пищи до развлечений. Дополнительная энергия напоминает толпу безмолвных рабов, которые бесконечно и безропотно трудятся, чтобы накормить, одеть, перевезти и уберечь всех нас. При этом, конечно, используется энергия солнца или минеральных ресурсов, таких, как уголь, нефть, уран, а не мускульная сила настоя-
ния земных ресурсов является ветвью геологии, однако в целом изучение ресурсов шире, нежели просто раздел геологии. Это тема, которая касается всех и каждого. Это отправная точка в изучении истории цивилизации и человечества. Это также отправная точка для любых дискуссий об освоении человечеством новых земель в будущем. Именно поэтому я тешу себя надеждой, что на страницах книги каждый найдет для себя и интересные факты, и богатую пищу для размышлений.
Глава 1
Ресурсы:
что это такое и где они находятся
Но запасы необходимого сырья, которые можно добыть из недр известными методами с приемлемыми затратами, ограниченны, в то время как темпы их эксплуатации и использования, очевидно, нет. (Walter R. Hibbard, Jr., in : «Mineral Resources, Challenge or Threat?» Science, v. 160, p. 143, 1968.)
Рис.Рис.1-1.1-1.рожаев,рожаев,ных из_железа, меди, свинца, цинка и других метал*вопрос спорный^ловь Сельскохозяйственные угодья дадут максималь' ажныИ Главное заключается в нормах произвол-ных из_железа, меди, свинца, цинка и других метал*вопрос спорный^ловь Сельскохозяйственные угодья дадут максималь' ажныИ Главное заключается в нормах произвол-2020553000300015152500 ^2500 ^20002000150015001950195019701970Растущий спрос на продукты питания требует повышения а для этого необходимы увеличенные объемы минераль-Растущий спрос на продукты питания требует повышения а для этого необходимы увеличенные объемы минераль-19601960ГодыГоды10510555Каких вершин может достичь производство продуктов питания? Вопрос спорный, но вместе с тем и жизнен-Каких вершин может достичь производство продуктов питания? Вопрос спорный, но вместе с тем и жизнен-
Рис.
Рис.
1-1.
1-1.
рожаев,
рожаев,
ных из_железа, меди, свинца, цинка и других метал*вопрос спорный^
ловь Сельскохозяйственные угодья дадут максималь' ажныИ Главное заключается в нормах произвол-
ных из_железа, меди, свинца, цинка и других метал*вопрос спорный^
ловь Сельскохозяйственные угодья дадут максималь' ажныИ Главное заключается в нормах произвол-
20
20
5
5
3000
3000
15
15
2500 ^
2500 ^
2000
2000
1500
1500
1950
1950
1970
1970
Растущий спрос на продукты питания требует повышения а для этого необходимы увеличенные объемы минераль-
Растущий спрос на продукты питания требует повышения а для этого необходимы увеличенные объемы минераль-
1960
1960
Годы
Годы
10
5
10
5
5
5
Каких вершин может достичь производство продуктов питания? Вопрос спорный, но вместе с тем и жизнен-
Каких вершин может достичь производство продуктов питания? Вопрос спорный, но вместе с тем и жизнен-
щих рабов. Но машины, питаемые этой дополнительн энергией, настолько глубоко вошли в нашу жизг что каждый из живущих на Земле имеет «энергетич ских рабов», работающих на него. Пугаясь повышен цен на нефть, газ, уголь, мы склонны забывать, скол мало стоит энергия, которая заменяет тяжелый тр рабочего — мужчины или женщины в течение по ного дня. Электричество, необходимое для того, чтоб стоваттная лампочка горела 10 часов, стоит 10 центо Это суммарная цена, в которую входят и стоимос передачи электричества по проводам, и стоимость с держания линий электропередач, и многое друг в дополнение к стоимости горючего. Если мы ра смотрим точно так же стоимость горючего, картина будет еще более разительной. Если покупаем нефть по 40 долл, за баррель и не принима в расчет дополнительные затраты вроде вышепер численных, то можно рассчитать, что эквивалент сто мости трудового дня одного рабочего упадет до 1,5 це та. Поэтому неудивительно, что даже в относитель бедных странах, таких, как, например, Инди суммарное количество дополнительной энергии, и пользуемой каждым мужчиной, женщиной или ребег ком, равно работе 15 невольников, которые трудятс по 8 часов в день. В Южной Америке каждый име приблизительно по 30 «энергетических рабов в Японии — по 100, в СССР — по 120, в Европе по 150, а в США и Канаде — по 300. Концепци «энергетических рабов» демонстрирует крайнюю з висимость мира от минеральных ресурсов. Есл «невольники» взбунтуются (иными словами, если р сурсы будут исчерпаны), население Земли не суме поддержать свою жизнеспособность. Возвращение i мускульной силе принесет голод и эпидемии. Природ быстро сократит человеческую популяцию.
Было бы ошибкой заострять внимание только Hi одной энергии. Ведь применение всех природных ре сурсов — и возобновляемых, и невозобновляемых — тесно переплетено. Так, нефть имела бы существенн( меньшее значение, если бы не было машин, построен
ный урожай, если их возделать тракторами и плугами, обработать фосфорными, азотными и калийными удобрениями. На рис.1-1 показана острейшая зависимость
ных ресурсов. За период с 1950 по 1970 г. производство зерна (кг/1000 м2) в Северной Америке увеличилось более чем вдвое. Это отребовало большего количества механизмов, удобрений и энергии, оследнее включает в себя энергетические затраты на производство ракторов, удобрений, инсектицидов и гербицидов. (По данным imental et al., 1973, Science, v. 182, p. 443). В 1970-е годы приме- ение удобрений в США возросло более чем в два раза, а в Японии некоторых европейских странах — в четыре раза.
Урожайности основной зерновой культуры (пшеницы) °т темпов освоения ресурсов, необходимых для ее производства.
ства — сколько можно получить пищевых продукта в течение сезона? Мы не можем потреблять возобн! ляемые ресурсы до того, как они восполнятся. И хо| сельскому хозяйству планеты удалось удвоить ежегс! ное производство продуктов питания за период! 1960 по 1980 г., существует предел темпов их рост! Ограничения налагаются и размерами самой Земли, количеством падающего на нее солнечного света поток солнечных лучей меняется с географически широтой), и эффективностью использования солнечно! света растениями.]
Недооценивается, к сожалению, и тот факт, ч^ несмотря на так называемую зеленую революцию | великое наступление агрономических методов, приро сельскохозяйственного производства едва поспевает i потребностями растущего населения (рис. 1-2). В н]
Рис. 1-2. Скорость роста населения Земли.
стоящее время лишь немногие страны производят пЯ [ щевые продукты в количествах, достаточных для поЛ держания здоровья населения. И только очень немнЛ гие — Австралия, Канада, Новая Зеландия, ЮАР ■ США — регулярно производят продуктов питания больше, чем это требуется для собственных нужЛ и могут компенсировать их недостаток в некоторь^
других странах. Увеличение численности населения Земли является основной причиной, заставляющей эти страны экспортировать пищевые продукты.
Даже при гигантских усилиях расширить производство продуктов питания за счет всех возможных источников, включая и океаны, ясно, что современное положение дел нестабильно. Поэтому неизбежно рост населения планеты должен прекратиться. Можно надеяться, что население Земли скоро достигнет разумных размеров, при которых оно сможет жить в равновесии со стабильными нормами производства продуктов питания. Поэтому двумя наиболее важными задачами, стоящими сегодня перед человечеством, являются: определение разумной численности населения и сохранение ее в равновесии.
Сохранение равновесия и контроль за численностью населения потребуют такой высокой социальной ответ- гтвенности, которая человечеством еще не достигалась. Однако такая ответственность не появится до тех пор, пока не будут полностью осознаны те ограничения, которые природные ресурсы и особенно минеральные ресурсы накладывают на численность народонаселения, на темпы разработки ресурсов и жизненный уровень людей. Точно так же нельзя будет определить стабильную численность населения, пока не будут оценены возможные пределы в снабжении мирового сообщества. Читатель сразу поймет, что оценка ресурсов — это очень сложная проблема, не решенная до сих пор, хотя уже известна относительная обеспеченность отдельными ресурсами и вполне различимы основные тенденции. Основываясь на анализе последних, одни эксперты полагают, что предел стабильной численности населения Земли уже превышен. Если бы они были правы, мы уже должны были бы начать сокращение численности населения. Другие эксперты считают, что этот уровень еще не достигнут, но по своей величине он должен быть меньше удвоенной численности современного населения планеты.
Во всех заключениях, касающихся народонаселе- Ния, присутствует известный выбор предпочтений. Чем больше народа, тем больше плотность населения и тем ниже жизненный уровень. Отдельные страны и
22 Глава 122 Глава 1
22 Глава 1
22 Глава 1
Ресурсы: что это такое и где они находятся 23
2 000 0002 000 0001 500 0001 500 0001 000 0001 000 000500 000500 0001-3. Неравномерность1-3. Неравномерностьпроизводства меди в но вместе с тем криваяпроизводства меди в но вместе с тем криваяСША. Очевиден крайне изломанаСША. Очевиден крайне изломанаI960197019801990I9601970198019901920193019401950Гады1920193019401950Гады18801890190019101880189019001910Рис.Рис.
2 000 000
2 000 000
1 500 000
1 500 000
1 000 000
1 000 000
500 000
500 000
1-3. Неравномерность
1-3. Неравномерность
производства меди в но вместе с тем кривая
производства меди в но вместе с тем кривая
США. Очевиден крайне изломана
США. Очевиден крайне изломана
I960197019801990
I960197019801990
1920193019401950
Гады
1920193019401950
Гады
1880189019001910
1880189019001910
Рис.
Рис.
регионы сами должны решать, какой у них будЯ стабильная численность населения, попутно с че| будет решен и вопрос об уровне жизни. Таким образо11 каждый из нас должен участвовать во всех важны! решениях, принимаемых нашими странами. Прежд! чем начать разговор о минеральных ресурсах, остана вимся на смысле утверждения, что «темпы роста nq требления возрастают».
Что такое темпы роста?
Потребление почти всех минеральных ресурсов неуклонно растет. Если мы рассмотрим темпы роста! то увидим, что хотя в них и присутствуют флуктуация обязанные экономическим и социальным всплескам и спадам (рис. 1-3), но в целом абсолютные годовы! приросты объемов не являются какой-то постоянно! величиной, а, скорее, рост проявляется в увеличении целого ца один и тот же процент ежегодно. Лини! роста населения на рис. 1-2 определенно не прямая Ее изменение проявляется также в ежегодном увея личении на несколько процентов от целого — д| некоторой степени подобно сложным процентам. Для обозначения кривых, изображенных на рис. 1-2 и 1-31 в математике используется термин экспоненциальны! функции, поэтому динамику, которую они описывают! мы будем называть экспоненциальным ростом. Сходную форму экспоненциального роста имеют вклады в сбе! регательных кассах. Любой вкладчик хорошо знает, что в каждом новом году прирост суммы вклада несколько больше, чем в прошлом году, и через определенно! количество лет . вклад может удвоиться. «.Время ydeoi ения», конечно, зависит от величины процента. 1
Совершенно очевидно, что экспоненциальный poci не может продолжаться бесконечно, поэтому линии] показанные на рис. 1-2 и 1-3, в конце концов изменятся] Рассмотрим пример роста населения Земли. По данным демографов, работающих в ООН, население Земли в конце 1982 г. росло со скоростью примерно 1,7 % в год При таких темпах роста оно должно удвоиться через 41 год. Этот вывод вытекает из того, что смертности (имеется в виду ее темп) падает несколько быстрее!
чем рождаемость. В слаборазвитых странах скорость изменения смертности начала медленно снижаться (рис. 1-4,6?). Это привело одного из экспертов к выводу, что, как показано на рис. 1-4,6, к 2100 г. темпы роста населения сегодняшних слаборазвитых стран снизятся до нуля. Таким образом население этих стран стабилизируется. В промышленно развитых странах это состояние должно быть достигнуто раньше 2100 г., поэтому можно принять гипотезу, что общая кривая
рост производства в целом,
за счет кратких, но существенных изменений скорости роста, которые связаны с экономическими кризисами, войнами и забастовками в промышленности. (По материалам Горного бюро США.)
изменения численности населения примет сигмоидальную форму и что в будущем население Земли достигнет некоего постоянного уровня, как это показано штриховым продолжением линии численности на Рис. 1-4, а. Каким будет этот постоянный уровень, пока сказать невозможно, поэтому не стоит придавать большого значения гипотетическому уровню. В настоящее
40 -40 -Рождаемость-Рождаемость-10 -10 -Рост населенияРост населения13 000 -13 000 -12 00012 00011 00011 0009000900010 00010 00080008000700070006000600050005000400040003000300020002000100010001700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2 бГ оды1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2 бГ одыРис. 1-4. Ожидаемый ростРис. 1-4. Ожидаемый ростсмертность всмертность вдаемость идаемость и
40 -
40 -
Рождаемость-
Рождаемость-
10 -
10 -
Рост населения
Рост населения
13 000 -
13 000 -
12 000
12 000
11 000
11 000
9000
9000
10 000
10 000
8000
8000
7000
7000
6000
6000
5000
5000
4000
4000
3000
3000
2000
2000
1000
1000
1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2 бГ оды
1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2 бГ оды
Рис. 1-4. Ожидаемый рост
Рис. 1-4. Ожидаемый рост
смертность в
смертность в
даемость и
даемость и
50
зо -
Смертность 20 -
ои111—1XJ
1850 1900 1950 2000 2050 2100
0
населения Земли в будущем: а — рож развивающихся странах. Штриховые
продолжения линий — прогноз. Предполагается, что в 2100 г., кого рождаемость и смертность станут равными, рост населения Земл! прекратится (будет равен нулю). (По данным Ansley J. Coale 1983, Science, v. 221, p. 828—832.); 6— с прекращением роста на селения на всей планете линия, выражающая эту зависимость, нач нет выполаживаться и достигнет определенного постоянного значе ния, что показано на рисунке штриховой линией. Численность населе ния, при которой рост прекратится, неопределенна.
время численность населения Земли все еще увели чивается: если в 1982 г. она составляла 4,55 млрд, чело век, то к 2000 г. она возрастет примерно до 6 млрд, а к 2030 г.— до 10 млрд.
темпы роста населения. Добыча золота, напримерВиебня, 42,4 кг калийных удобрений, 19,2 кг алюминия.темпы роста населения. Добыча золота, напримерВиебня, 42,4 кг калийных удобрений, 19,2 кг алюминия.Потребление многих минеральных ресурсов растег все еще экспоненциальными темпами. Более того, дл$ многих минеральных ресурсов темпы роста выше, чe^
темпы роста населения. Добыча золота, напримерВиебня, 42,4 кг калийных удобрений, 19,2 кг алюминия.
темпы роста населения. Добыча золота, напримерВиебня, 42,4 кг калийных удобрений, 19,2 кг алюминия.
возрастает на 4 % в год и имеет период удвоения 8 лет, потребление минеральных удобрений — на 7 % t ГОд и имеет период удвоения 10 лет. Если изучить >ти значения более пристально, можно найти два ком- юнента темпов роста потребления минеральных ресур- :ов. Первый явно связан с ростом населения Земли: : каждым годом все большее количество людей нужно >беспечивать различными продуктами. Второй является следствием повышения уровня жизни и усиления (технологического обеспечения» общества. Второй компонент можно определить, разделив годовое вало- юе потребление минерального продукта на численность населения; величина, получающаяся в резуль- ате, называется потреблением на душу населения. Цля большинства минеральных продуктов кривые потребления на душу населения растут экспоненци- 1льно в течение длительного времени. Кривые сово- супного потребления, таким образом, являются суммой 1вух отдельных экспоненциальных кривых, и проблема [ародонаселения тем самым имеет две стороны. Не- )бходимо, чтобы стабилизировалась не только численность населения, но и уровень жизни. Но когда при- 1ет такое время, проявится неприятное последствие
жспоненциального поведения кривых. Дело в том, [то вторичная переработка материалов никогда не может удовлетворить требований экспоненциального юста. Не имеет значения, сколь эффективно произво- штся вторичная переработка материала: экспонен- шальный рост требует постоянного добавления новых юрций материала с мирового склада невосполняемых >есурсов.
Для того чтобы убедиться, что мы действительно шеем дело с экспоненциальным темпом роста, а не : v кратковременными флуктуациями, вызванными войнами или депрессиями, мы должны провести наблюдения на протяжении многих лет. На рис. 1-5 показы итоги наблюдений для временных промежут- (Овв 50 и более лет. Вопреки флуктуациям мировое
ютребление большинства минеральных ресурсов про- Юлжает расти. В 1980 г. в США потребление на душу вселения составляло: 2,83 т песка и гравия, 3,9 т
КилограммыКилограммыГодыГодыРис. 1-5. Мировое потребление на душу населения трех важных ми неральных продуктов. Хромит — источник металлического хрома стальных сплавах — используется также в качестве термоизол^ тора печей и в производстве химических продуктов. Алюминий ис пользуется главным образом в строительстве, при производств транспортных средств, в упаковочной и электротехнической индус! рии. Отметим, что использование цинка на душу населения стаби лизируется, в то время как хромита и алюминия быстро расте! (По материалам Горного бюро США.)Рис. 1-5. Мировое потребление на душу населения трех важных ми неральных продуктов. Хромит — источник металлического хрома стальных сплавах — используется также в качестве термоизол^ тора печей и в производстве химических продуктов. Алюминий ис пользуется главным образом в строительстве, при производств транспортных средств, в упаковочной и электротехнической индус! рии. Отметим, что использование цинка на душу населения стаби лизируется, в то время как хромита и алюминия быстро расте! (По материалам Горного бюро США.)
Килограммы
Килограммы
Годы
Годы
Рис. 1-5. Мировое потребление на душу населения трех важных ми неральных продуктов. Хромит — источник металлического хрома стальных сплавах — используется также в качестве термоизол^ тора печей и в производстве химических продуктов. Алюминий ис пользуется главным образом в строительстве, при производств транспортных средств, в упаковочной и электротехнической индус! рии. Отметим, что использование цинка на душу населения стаби лизируется, в то время как хромита и алюминия быстро расте! (По материалам Горного бюро США.)
Рис. 1-5. Мировое потребление на душу населения трех важных ми неральных продуктов. Хромит — источник металлического хрома стальных сплавах — используется также в качестве термоизол^ тора печей и в производстве химических продуктов. Алюминий ис пользуется главным образом в строительстве, при производств транспортных средств, в упаковочной и электротехнической индус! рии. Отметим, что использование цинка на душу населения стаби лизируется, в то время как хромита и алюминия быстро расте! (По материалам Горного бюро США.)
Эти цифры ярко освещают наиболее зловещие послел ствия экспоненциального роста. Если доступный зг пас ограничен в размерах, спрос в конечном счет должен превысить возможности его удовлетворени независимо от величины имеющегося запаса. Рас смотрим абсурдную крайность: все текущее столети мировая ежегодная добыча минеральных ресурсо
Удваивалась приблизительно каждые 10 лет. В 1983 г., L период экономического спада и сокращения производства, мировая добыча минеральных ресурсов оценивалась в 30 млрд. т. Если бы десятилетний период Удвоения сохранялся до 2213 г. (т. е 230 лет), чело- Ьечество добыло бы в этом году 250 000 000 млрд, т ресурсов. Это действительно абсурдно: такая величина равна массе всей суши, находящейся выше уровня моря.
I Постоянный рост, экспоненциальный или нет, не Может продолжаться вечно, и нам придется спросить себя, будут ли кривые будущего потребления выглядеть подобно предполагаемой кривой населения пла- реты (рис. 1-4, б). Для некоторых видов ресурсов уже сейчас можно обнаружить выполаживание кривых Потребления, особенно для стран с высоким уровнем Ькизни. Опираясь на такие наблюдения, эксперты Предсказывают окончательное выполаживание кривых Потребления всех природных ресурсов до постоянного Провня их потребления на душу населения. Мировое Потребление природных ресурсов, однако, все еще растет, а из-за неравномерности развития индустрии и неравенства уровней жизни в разных частях света география потребления минеральных ресурсов далеко не однородна. В качестве примера можно сослаться на различия в уровнях потребления на душу населения некоторых видов минеральных ресурсов в США и мире в целом в 1980 г. (табл. 1-1). Цифры, приведенные для США, характерны и для других промышленно развитых стран, а это значит, что потребление на душу населения в слаборазвитых странах очень низкое. Простое увеличение потребления на душу населения всех минеральных ресурсов и повышение жизненного уровня в странах «третьего мира» до уровня жителей Северной Америки или Европы подвергло бы серьезному испытанию существующую обеспеченность мира многими металлами.
Географическое распределение минеральных Ресурсов на земном шаре крайне неравномерно. Стра- На может быть богата каким-либо одним полезным ископаемым и бедна другим; ни одна страна не °беспечивает себя всеми полезными ископаемыми, и,
по-видимому, ни одна страна не достигнет таковТябЛИца 1-2. Импорт минеральных продуктов в США (в процентах состояния. США обеспечивают себя только несколвот общего потребления в 1980 г.) кими видами полезных ископаемых, включая свине молибден и уголь, в то время как другие виды, таки как тантал и хром, полностью импортируют^ (табл. 1-2). Поэтому с производством и потреблениепо-видимому, ни одна страна не достигнет таковТябЛИца 1-2. Импорт минеральных продуктов в США (в процентах состояния. США обеспечивают себя только несколвот общего потребления в 1980 г.) кими видами полезных ископаемых, включая свине молибден и уголь, в то время как другие виды, таки как тантал и хром, полностью импортируют^ (табл. 1-2). Поэтому с производством и потреблениеМинеральный продуктИмпорт, о/ /0Страны-поставщикиХром Тантал100ЮАР, СССР, Турция, Албания, Филиппины100Австралия, Канада, Заир, Бразилия, КитайПлатина99ЮАР, СССР, КанадаМарганец95Бразилия, Габон, ЮАР, АвстралияОлово93Малайзия, Таиланд, Индонезия, Боливия, БразилияНикель91Канада, СССР, Ботсвана, ФилиппиныАсбест78Канада, Мексика, Саудовская АравияСеребро75Канада, Перу, Мексика, АвстралияЗолото70ЮАР, СССР, КанадаМедь30Канада, Чили, Перу, Замбия, Заир(По данным Горного бюро США.)Минеральный продуктИмпорт, о/ /0Страны-поставщикиХром Тантал100ЮАР, СССР, Турция, Албания, Филиппины100Австралия, Канада, Заир, Бразилия, КитайПлатина99ЮАР, СССР, КанадаМарганец95Бразилия, Габон, ЮАР, АвстралияОлово93Малайзия, Таиланд, Индонезия, Боливия, БразилияНикель91Канада, СССР, Ботсвана, ФилиппиныАсбест78Канада, Мексика, Саудовская АравияСеребро75Канада, Перу, Мексика, АвстралияЗолото70ЮАР, СССР, КанадаМедь30Канада, Чили, Перу, Замбия, Заир(По данным Горного бюро США.)Минеральный продуктПотребление на душу населения в 1980 г., кгв мирев СШАЖелезо и сталь165,0272,0Калийные минеральные удобрения10,242,2Алюминий7,8919,2Медь3,718,62Никель0,180,59Олово0,0570,21Вольфрам0,0180,076Кобальт0,0070,031(По данным Горного бюро США.)Минеральный продуктПотребление на душу населения в 1980 г., кгв мирев СШАЖелезо и сталь165,0272,0Калийные минеральные удобрения10,242,2Алюминий7,8919,2Медь3,718,62Никель0,180,59Олово0,0570,21Вольфрам0,0180,076Кобальт0,0070,031(По данным Горного бюро США.)Таблица 1-1. Потребление на душу населения некоторых виде минеральных продуктов в мире и в США в 1980 г. Наиболее высок1 показатели характерны для индустриальных странТаблица 1-1. Потребление на душу населения некоторых виде минеральных продуктов в мире и в США в 1980 г. Наиболее высок1 показатели характерны для индустриальных странминеральных ресурсов тесно связаны сложные вопросы международного сотрудничества и политики. И есл] нам предстоит удовлетворить оба устремления челова чества — и к более высокому уровню жизни, и к под держанию большой численности населения — то ми должны четко представлять характер и распределени] минеральных ресурсов, необходимых для этого.
по-видимому, ни одна страна не достигнет таковТябЛИца 1-2. Импорт минеральных продуктов в США (в процентах состояния. США обеспечивают себя только несколвот общего потребления в 1980 г.) кими видами полезных ископаемых, включая свине молибден и уголь, в то время как другие виды, таки как тантал и хром, полностью импортируют^ (табл. 1-2). Поэтому с производством и потребление
по-видимому, ни одна страна не достигнет таковТябЛИца 1-2. Импорт минеральных продуктов в США (в процентах состояния. США обеспечивают себя только несколвот общего потребления в 1980 г.) кими видами полезных ископаемых, включая свине молибден и уголь, в то время как другие виды, таки как тантал и хром, полностью импортируют^ (табл. 1-2). Поэтому с производством и потребление
Минеральный продукт
Импорт, о/ /0
Страны-поставщики
Хром Тантал
100
ЮАР, СССР, Турция, Албания, Филиппины
100
Австралия, Канада, Заир, Бразилия, Китай
Платина
99
ЮАР, СССР, Канада
Марганец
95
Бразилия, Габон, ЮАР, Австралия
Олово
93
Малайзия, Таиланд, Индонезия, Боливия, Бразилия
Никель
91
Канада, СССР, Ботсвана, Филиппины
Асбест
78
Канада, Мексика, Саудовская Аравия
Серебро
75
Канада, Перу, Мексика, Австралия
Золото
70
ЮАР, СССР, Канада
Медь
30
Канада, Чили, Перу, Замбия, Заир
(По данным Горного бюро США.)
Минеральный продукт
Импорт, о/ /0
Страны-поставщики
Хром Тантал
100
ЮАР, СССР, Турция, Албания, Филиппины
100
Австралия, Канада, Заир, Бразилия, Китай
Платина
99
ЮАР, СССР, Канада
Марганец
95
Бразилия, Габон, ЮАР, Австралия
Олово
93
Малайзия, Таиланд, Индонезия, Боливия, Бразилия
Никель
91
Канада, СССР, Ботсвана, Филиппины
Асбест
78
Канада, Мексика, Саудовская Аравия
Серебро
75
Канада, Перу, Мексика, Австралия
Золото
70
ЮАР, СССР, Канада
Медь
30
Канада, Чили, Перу, Замбия, Заир
(По данным Горного бюро США.)
Минеральный продукт
Потребление на душу населения в 1980 г., кг
в мире
в США
Железо и сталь
165,0
272,0
Калийные минеральные удобрения
10,2
42,2
Алюминий
7,89
19,2
Медь
3,71
8,62
Никель
0,18
0,59
Олово
0,057
0,21
Вольфрам
0,018
0,076
Кобальт
0,007
0,031
(По данным Горного бюро США.)
Минеральный продукт
Потребление на душу населения в 1980 г., кг
в мире
в США
Железо и сталь
165,0
272,0
Калийные минеральные удобрения
10,2
42,2
Алюминий
7,89
19,2
Медь
3,71
8,62
Никель
0,18
0,59
Олово
0,057
0,21
Вольфрам
0,018
0,076
Кобальт
0,007
0,031
(По данным Горного бюро США.)
Таблица 1-1. Потребление на душу населения некоторых виде минеральных продуктов в мире и в США в 1980 г. Наиболее высок1 показатели характерны для индустриальных стран
Таблица 1-1. Потребление на душу населения некоторых виде минеральных продуктов в мире и в США в 1980 г. Наиболее высок1 показатели характерны для индустриальных стран
Виды минеральных и энергетических ресурсов
В данной книге мы используем термин минераль ные ресурсы в самом общем виде, подразумевая, чт он включает все полезные для нас неживые, ветре чающиеся в природе вещества независимо от тоге являются они неорганическими или органическими По этому определению все твердые полезные искд
паемые, ископаемое топливо, скажем нефть и природный газ, а также вода и газы атмосферы, относятся к минеральным ресурсам. Помимо минеральных ресурсов, которые мы используем для получения энергии — угля, нефти, природного газа, урана,— существуют другие энергетические источники как возобновляемые, так и невозобновляемые. Из них мы рассмотрим такие, как энергия воды и ветра, которые являются возобновляемыми, и геотермальную энергию, которая во многом невозобновляема. Классификация обсуждаемых в книге типов ресурсов по их применению представлена на рис. 1-6, который должен внести ясность в вопрос об их возобновляемости или невозобновляемости.
Полезно сопоставить показатели денежной, стоимостной оценки различных видов минеральных ресурсов. Значения -этих показателей для минеральных ресурсов, добытых в США, представлены на рис. 1-7
отдельноотдельнодля топлива, металлов и неметаллических
отдельно
отдельно
Ресурсов> исключая воду. На топливо в 1980 г. приходилось 86 % общей величины, и оно безусловно является лидером. Рис. 1-7 демонстрирует два важных Ранее уже рассмотренных соотношения. Во-первых, °бщая стоимость потребляемых природных ресурсов
ЭнергетическиересурсыЭнергетическиересурсыМеталлические минеральные ресурсыМеталлические минеральные ресурсыГорючие1полезные ископаемыеСырье для производствапластиковГорючие1полезные ископаемыеСырье для производствапластиковЯдерноетопливоЯдерноетопливоУран, торий, литий, дейтерийУран, торий, литий, дейтерийСтроительные материал!Строительные материал!Вода]Вода]
Энергетическиересурсы
Энергетическиересурсы
Металлические минеральные ресурсы
Металлические минеральные ресурсы
Горючие1полезные ископаемые
Сырье для производствапластиков
Горючие1полезные ископаемые
Сырье для производствапластиков
Ядерноетопливо
Ядерноетопливо
Уран, торий, литий, дейтерий
Уран, торий, литий, дейтерий
Строительные материал!
Строительные материал!
Вода]
Вода]
Неметаллическиеминеральныересурсы
Горючиеполезные ископаемые
Уголь, нефть,природный гази горючие сланцы
Полезные ископаемыедля химическойи строительнойпромышленности,для производства удобрний, флюсов и красителе!
Хлорид натрия,фосфаты,нитраты, сера и др.
Цемент, песок, гравий,гипс, асбест и др.
Озера, реки,грунтовые воды
Рис. 1-6. Классификация ресурсов полезных ископаемых и энеи гии. Штриховкой показаны энергетические ресурсы, не являкв щиеся полезными ископаемыми.
увеличивается экспоненциально, отражая экспонейИ циальные темпы объемов потребления. Во-вторым увеличение объемов потребления металлов и неметам лов происходит параллельно нарастанию потребления топлива, что отражает взаимозависимость всех видов минеральных ресурсов.
Несколько слов о единицах измерения
Известны различные способы измерения объемом Например, одни предметы измеряются в кубические футах, другие — в кубических сантиметрах. Объеме жидкостей измеряются в галлонах или литрах, древе
сина — в кордах и досковых футах , фрукты и ов: щи — в бушелях, а нефть и цемент — в самых страннь единицах, баррелях. Один баррель нефти равс 42 американским галлонам, в то время как один 6appej цемента, определяемый в действительности в массовь количествах, равен 170,5 кг. Аналогичная путаниь царит в единицах массы, длины и энергии, но нигде oi не достигает таких пределов, как в области минерал ных ресурсов. К счастью, единицы постепенно изм няются и стандартизируются, однако большая час минеральных ресурсов до сих пор измеряется в арх ичных единицах, которые сохраняются в болыш степени как дань традиции, нежели здравому смысл
Для того чтобы не переводить беспрестанно од1 единицы измерения в другие, в книге принята метр ческая система мер. Мерой длины являются сайт метр, метр и километр; объема — кубический сайт метр, кубический километр и литр; массы — грам килограмм и тонна; энергии — джоуль; мощности, i основе которой оценивается объем производства и; потребления энергии в единицу времени,— ватт. Пер водные коэффициенты, употребляемые в коммерщ и производстве, приведены в приложении (табл. А-1
Ресурсы и запасы
Вслед за открытием нового месторождения меди и; нового нефтеносного бассейна одним из первых всегд встает вопрос, а сколько же здесь полезного ископа мого? Когда решается судьба действующего рудник мы спрашиваем, сколько еще осталось в недрах? Г сколько «чего»? Подразумеваем ли мы материал, к( торый может быть с прибылью извлечен уже сегодн или имеем в виду материал, который можно буд( добыть лишь по прошествии.некоторого времени, ког; либо цены станут выше, либо будет изобретен новь метод добычи? И с какой точностью нужно дать оцеш сырья в недрах: до нескольких килограммов, до 5 %, может быть, даже до 50 % от целого?
Проблемы, касающиеся минеральных ресурсо
особенно сложны по той простой причине, что минеральные продукты используются всеми нами в различных областях жизни, но лишь немногие из нас видели воочию месторождение полезных ископаемых или имеют представление о том, как оно образовалось, насколько оно велико или мало, и знают о трудностях, возникающих при производстве минерального сырья. В противоположность этому все мы видели такие возобновляемые ресурсы, как домашний скот, хлебные поля или яблони, и имеем достоверные знания о процессах, благодаря которым получается пища, и о том, как она попадает на наш стол.
'Минеральные ресурсы — это любые потенциально или сейчас извлекаемые концентрации существующих в природе твердых, жидких или газообразных материалов/ Конечно, извлечение должно быть прибыльным, поэтому отметим различие, имеющееся между двумя этими видами полезных ископаемых. Минеральные ресурсы состоят из двух компонентов. Первый компонент — извлекаемый в текущий период — относится к выявленным, или идентифицированным, ресурсам и обычно называется рудой или запасами 1. Нам известно, как эксплуатировать эти запасы и сколько стоит их добыча. Мы можем полагаться на них и можем уже сегодня добывать их с прибылью. Второй потенциально извлекаемый компонент минеральных ресурсов называется потенциальными ресурсами, с которыми все еще связано множество «если», «и», «но». Возможно, придется усовершенствовать технологию добычи или найти новые методы переработки, а может быть, понадобятся и дотации государства. В любом случае вокруг потенциальных ресурсов много безответных вопросов и потребуются многие годы, чтобы эти ресурсы стали запасами или рудой. Тем не менее потенциальные ресурсы заслуживают особого внимания, а их размеры, богатство и местоположение позволяют Утверждать, что однажды они станут рудами и их мож^ Но будет использовать.^Чем дальше мы отрываемся От обыденного опыта, чем более непривычные мате-
1 В западных классификациях термин «запасы» переводится как «резервы».— Прим. ред. '
риалы включаются в оценку и чем в более отдаленное будущее мы простираем наши предположения об экономическом и технологическом развитии, тем с меньшей уверенностью мы угадываем вероятность превращения потенциальных ресурсов в руды.
Существует множество примеров того, как при стечении особых обстоятельств потенциальные ресурсы становились рудам-и, но известны и такие случаи, когда добыча руд оказывалась настолько нерентабельной, что это возвращало их в категорию потенциальных ресурсов. При обсуждении природных ресурсов легко запамятовать, что по той или иной причине и достаточно большие концентрации полезных ископаемых могут оказаться слишком дорогими в эксплуатации. В столь небольшой книге, как эта, недостаточно места, чтобы обсудить экономику каждого из упомянутых здесь видов минеральных ресурсов. Читателю следует постоянно помнить о том, что ресурсы являются продуктом природных процессов, происходивших в прошлом, а ресурсы становятся рудами и, следовательно, запасами только в том случае, если мы окажемся достаточно изобретательными, чтобы изыскать способ их выгодной эксплуатации. Предшествующие рассуждения подчеркивают положение, которое должно бы быть явным, но иногда упускается из виду. Мы всегда разрабатываем месторождения селективно, в первую очередь выбирая наиболее богатые, удобно расположенные и крупные скопления. Крайне невероятно высказываемое иногда предположение о том, что вскоре мы обратимся к обычным горным породам и морской воде, чтобы извлекать из них большинство наших минеральных ресурсов, потеряв особый интерес к локальным концентрациям.
В 1984 г., когда писалась эта книга, мир боролся с жестоким экономическим спадом. Это был период, когда производство нефти и металлов, таких, как медь и алюминий, было настолько велико, что рынки оказались затоваренными, а цены заметно упали. Если история действительно чему-то учит, то затоваривание исчезнет, цены вновь поднимутся, спад прекратится, а тенденции к возрастанию потребления ресурсов найдут свое новое продолжение.
Глава 2
Где находятся минеральные ресурсы
...полезные ископаемые формируются в земной коре в результате бесконечно долгих природных геологических процессов, происходящих на протяжении тысяч или миллионов лет. (D. A. Brobst, W. Р. Pratt, U. S. Geological Survey, Professional Paper 820, 1973.)
Земля
Минеральные ресурсы находятся повсюду — в атмосфере и в океанах, высоко в горах и породах морского дна, т. е. во всех доступных районах Земли, однако распределены они крайне неравномерно. Более того, минеральные ресурсы существенно различаются по видам и количеству от места к месту. Для того чтобы в дальнейшем вернуться к распределению ресурсов, необходимо кратко рассмотреть некоторые важные особенности нашей планеты.
Земля имеет массу 6-1021 т и состоит из 88 различных химических элементов. Общее количество любого элемента, входящего в состав Земли, как бы ни было мало его среднее содержание, поистине громадно. Хотя большая часть Земли недоступна для наблюдения, а та ее часть, которую можно изучать с поверхности, имеет тоннаж в 5000 раз меньший, чем общая масса Земли, количество любого элемента до глубины 10 км остается астрономически большим. В центре Земли находится металлическое земное ядро, состоящее преимущественно из железа и никеля; ядро окружено мантией плотных горных пород, богатых магнием и железом. Ядро и мантия вместе составляют более ^99,6 % общей массы Земли. Над мантией располага-
ется кора — единственная доступная для прямого наблюдения твердая оболочка Земли. Кора составляет 0,375 % земной массы. Она состоит из двух частей: одна — выступающая над уровнем океана и вторая — та, что лежит под ним. Первая часть вместе с узкой полосой вокруг континентов, покрытой морями, называется континентальной корой, вторая — океанической корой (рис. 2-1). '
Вода океанов, озер и рек вместе с водой в порах и трещинах почв и в приповерхностных горных породах называется гидросферой; она составляет 0,025 % массы
a
Рис. 2-1. Разрезы Земли, показывающие ее различные оболочки: а — мощность земной коры изменяется от места к месту, а химический состав заметно отличается от состава подстилающей мантии. Мощность континентальной коры достигает 60 км и в среднем составляет 30 км. Океаническая кора тоньше (около 10 км) и, кроме того, отличается от континентальной по химическому составу; б — три главные оболочки Земли: справа — каменные кора и мантия и металлическое ядро, слева — различающиеся по физическим свойствам твердая и хрупкая литосфера, пластичная и легко деформируемая астеносфера и мезосфера с промежуточными свойствами.
Земли. Газообразная атмосфера, на долю которой приходится всего 0,0001 % массы Земли, окутывает всю планету. Верхняя часть земной коры, гидросфера и атмосфера являются местом обитания различных растений и животных. Вся живая материя называется биосферой, она составляет около 0,0000003 % земной массы. Именно из этих четырех внешних зон Земли — земной коры, гидросферы, биосферы и атмосферы — мы черпаем ресурсы и должны учитывать их возможное будущее. Мантия и ядро еще настолько недостижимы, что не могут всерьез рассматриваться даже в качестве потенциальных источников ресурсов.
Земная кора/Большая часть минеральных ресурсов извлекается из земной корьц Кора существенно отличается во многих отношениях от гидросферы и атмосферы. Во-первых, она построена в основном из минералов — кристаллических твердых образований со специфическим и обычно простым составом. Во- вторых, любой, кто бывал в каменистых местах, наверняка обратил внимание на то, что минералы встречаются не случайно, а в виде специфических образований, называемых горными породами. Известняк, например,— это горная порода, состоящая главным образом из кальцита — минерала с химической формулой СаСОз. Гранит слагают три минерала: калиевых полевой шпат KAlSi3Os, мусковит КА1351зОю(ОН)2 и кварц SiO2. Уголь — это горная порода, состоящая из твердого органического вещества. Химические элементы, таким образом, распределены в земной коре неравномерно, но даже те из них, что имеют низкие средние содержания, иногда встречаются в виде локальных скоплений, наиболее богатые из которых называются рудными месторождениями.
Довольно сложно опробовать морское дно, однако состав пород океанической коры сейчас достаточно хорошо известен. Она состоит из минералов, богатых кальцием, магнием, железом, алюминием и кремнием, которые образовались при остывании лав, излившихся на морское дно и образовавших горные породы, называемые базальтами. Океаническая кора образуется
преимущественно под водой, и только на редких островах, таких, как Гавайские или Исландия, базальтовые лавы изливаются на сушу, подвергаясь затем воздействию выветривания и эрозии.
Континентальная кора составляет немногим более половины массы коры в целом, или приблизительно 0,29 % массы всей Земли; она содержит меньше железа, кальция и магния, нежели океаническая кора, но сравнительно больше кремния, алюминия, натрия и калия. Земная кора вместе с самой верхней частью мантии называется литосферой, которая представляет собой 100-км по мощности зону твердых и хрупких пород Предполагается, что литосфера лежит на более пластичной, возможно практически жидкой части мантии — астеносфере (рис. 2-1). Плотностные характеристики различных частей литосферы позволяют объяснить, почему океанические бассейны располагаются ниже возвышающихся над ними континентов. Породы океанической коры имеют более высокую плотность, чем породы континентов. Континенты как бы «плавают» в астеносфере, погрузившись в нее менее глубоко, чем океаническая более плотная кора, напоминая куски менее и более плотного дерева в воде. Кроме того, в гидросфере Земли несколько больше воды, чем могут вместить углубления поверхности планеты, образованные более погруженной океанической корой. Поэтому воды океанов заливают края континентов, создавая погруженные в нее участки континентальной коры, называемые континентальным шельфом и континентальным склоном (рис. 2-2). Как мы увидим в дальнейшем, погруженные участки континентальной коры имеют потенциально важное значение для минеральных ресурсов будущего.
Систематическое изучение всех видов пород показало, что существуют два их основных типа. Первый — это изверженные горные породы, образующиеся из остывающей и кристаллизующейся магмы (называемой еще расплавом), которая формируется в глубоких частях земной коры или в верхней мантии. Второй тип — это осадочные горные породы, образующиеся при уплотнении и цементации материала, получающегося в результате разрушения горных пород континентов
Рис. 2-2. Переход от Южноамериканского континента к Атлантическому океану (побережье Аргентины) Континентальная кора ограничивается ступенчатым континентальным склоном Воды океана заливают часть континента, называемую шельфом (По данным В С Heezen and М Tharp, for the Geological Society of America )
водными потоками, атмосферой, движущимися льдами и ветром. Большая часть такого материала отлагается в депрессиях на континентах и в морских бассейнах континентальных окраин (на шельфе). Со временем слой образующихся таким образом отложений растет и погружается на все большую глубину, при этом растет давление вышележащих отложений и повышается температура, что вызывает физическое и химическое преобразование материала. Температура и давление могут расти и в процессе горообразования, когда движения континентальной коры приводят к столкновению блоков горных пород, их уплотнению и изменению. По возникающим в результате метаморфическим горным породам можно в целом судить, образовались ли они из осадочных или изверженных пород. Когда сжатые осадочные породы погружаются достаточно глубоко, начинается их плавление — образуется магма. Эта
вновь сформировавшаяся магма имеет меньшую плотность, нежели вмещающие ее твердые метаморфические породы, и поэтому начинает как бы всплывать, прорывая окружающие породы; со временем остывая и кристаллизуясь, она формирует новые изверженные породы. Таким образом горные породы континентальной коры непрерывно перерабатываются. Геологические процессы очень длительны — сотни миллионов лет во многих случаях — и детали их сложны, но именно они обусловливают химическое разделение, которое приводит к химической неоднородности континентальной коры. Например, в процессе выветривания и эрозии некоторые вещества растворяются и переносятся в растворах, в то время как другие не растворяютсй и переносятся в виде мелких частиц. При этом возможно значительное химическое разделение, что в свою оче- * редь может приводить к образованию минеральных ресурсов. Интересно и важно, что эволюционные процессы, породившие атмосферу и гидросферу, столь необходимые для жизни, оказались очень важными и для осуществления химического разделения веществ * в природе, которое необходимо для формирования богатых руд.
В континентальной коре содержится громадное количество различных видов горных пород. Это дает основание предполагать, что большая часть процессов формирования горных пород, наблюдаемых сегодня, происходит уже в течение по меньшей мере 3800 млн. лет. Хотя, конечно, континентальная кора, атмосфера и воды гидросферы не всегда имели одинаковый состав.
Океаническая кора в противоложность континентальной имеет менее изменчивый состав. Это позволяет предполагать, что породы морского дна не додержат такого разнообразия минеральных ресурсов, как континентальная кора.
Ученые долгое время искали объяснение таким интересным фактам, как различия в составе океанической и континентальной коры, субпараллельность береговых линий по обе стороны Атлантики и сходная топография горных хребтов океанического дна и континентов. Наибольшие успехи в решении этих
проблем были достигнуты в 1960-е годы, когда было доказано, что внешние 100 км твердой Земли — хрупкой литосферы — плавно скользят по поверхности пластичной астеносферы, а вместе с ними перемещаются и континенты. Литосфера разбита на шесть огромных и несколько более мелких блоков, называемых плитами (рис. 2-3), при этом каждая плита движется
Границы плит
Рис. 2-3. Главные листосферные плиты Земли. В зонах спрединга магма поднимается из верхней мантии и, застывая, образует новую литосферу; в зонах субдукции одна литосферная плита поддвигается под другую и поглощается астеносферой. Трансформные разломы — это трещины в плитах, вдоль которых происходит скольжение разделенных ими частей относительно друг друга. 1 — зоны спрединга; 2 — зоны субдукции, 3 — трансформные разломы; 4 — неопределенные границы.
более или менее независимо. Новые изверженные породы образуются в тех местах, где гигантские разломы рассекают океаническое дно и поднимающаяся из глубин базальтовая магма раздвигает рассеченные разломом плиты и заставляет их двигаться в противоположных направлениях. Так формируется новая океаническая кора. Поскольку размеры Земли неизменны, в других местах должен происходить обратный процесс — разрушение океанической коры с той же
скоростью, с какой новая кора формируется вдоль разломов в центре океанов. Такой процесс имеет место, когда океаническая кора остывает, становится более плотной и вследствие этого вновь погружается в астеносферу. Описанное явление напоминает ленту конвейера: с одной стороны образуется новая литосфера, с другой — разрушается старая, более древняя. Почему же таким образом не разрушаются континенты? Оказывается они обладают меньшей, чем астеносфера, плотностью! Когда масса легкой континентальной коры достигает места погружения края океанической 5 плиты, она сталкивается с континентом на этой древней плите, в результате чего образуются высокие горные цепи, такие, как Гималаи или Альпы. Конечно, многие детали такой коллизии до конца не поняты, однако распределение некоторых типов минеральных месторождений, как полагают, каким-то образом связано с современными и древними границами движущихся литосферных плит. Многие ученые считают, что именно лучшее понимание движения плит и механизма, вызывающего это движение, приведет когда-нибудь к раскрытию того, как и почему формируются минеральные месторождения.
Средний состав континентальной коры (рис. 2-4) показывает, что только 9 элементов составляют 99 %
Алюминий (8,0)Магний (2,8)Натрий (2,3)Калий (1,7)Титан (0,9) И другие (1,0)Кальций (5,1)Железо (5,8)Алюминий (8,0)Магний (2,8)Натрий (2,3)Калий (1,7)Титан (0,9) И другие (1,0)Кальций (5,1)Железо (5,8)Рис. 2-4. Содержание главных химических элементов в континентальной коре (%).Рис. 2-4. Содержание главных химических элементов в континентальной коре (%).
Алюминий (8,0)
Магний (2,8)
Натрий (2,3)
Калий (1,7)
Титан (0,9) И другие (1,0)
Кальций (5,1)
Железо (5,8)
Алюминий (8,0)
Магний (2,8)
Натрий (2,3)
Калий (1,7)
Титан (0,9) И другие (1,0)
Кальций (5,1)
Железо (5,8)
Рис. 2-4. Содержание главных химических элементов в континентальной коре (%).
Рис. 2-4. Содержание главных химических элементов в континентальной коре (%).
всей ее массы. Остальные 79 представлены в малых и очень малых количествах. Многие из редких элементов (или минералы, включающие в свой состав один или несколько редких элементов) являются жизненно важными ресурсами для современной промышленности. К счастью, различными путями эти элементы концентрируются в определенных местах, формируя в пределах земной коры месторождения руд. Но прежде чем обсудить, как эти элементы концентрируются и насколько большими могут быть их концентрации, остановимся кратко на других внешних оболочках Земли.
Гидросфера. Гидросфера включает в себя общую массу воды, льдов и водяного пара на поверхности Земли и около нее. До некоторой степени гидросфера взаимодействует как с атмосферой, так и с земной корой, причем в последнем случае происходят реакции, вызывающие очень важные явления,— выветривание горных пород, увеличение солености морей и формирование состава питьевой воды рек и скважин.
Вода сама по себе является главным богатством гидросферы, но кроме нее в этой оболочке Земли есть еще много других не менее важных ресурсов. Океаны, которые покрывают 70,8 % земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км, представляют собой резервуар для многих растворимых веществ, вынесенных из горных пород и почв континентов, а также содержащихся в газах подводных вулканов. Вероятно, океаны оставались солеными во все времена, однако степень солености могла меняться. Соленость морской воды в настоящее время составляет 3,5 %; это означает, что в каждом кубическом километре морской воды растворено 36*10б т твердых веществ. Распространенность основных элементов во всех частях гидросферы одинакова. Натрий и хлор, образующие обычную соль, являются самыми распространенными; вместе с магнием, серой, кальцием и калием они составляют 99,5 % всех растворенных веществ (рис. 2-5). Каждый кубический километр морской воды содержит значительные количества еще 64 элементов; например, в одном таком кубе содержится в среднем по 2000 кг цинка и меди, 800 кг олова, 280 кг серебра и 11 кг золота.
Магний (3,68)Сера (2,73)Кальций (1,18)Калий (1,10)Магний (3,68)Сера (2,73)Кальций (1,18)Калий (1,10)И другиеБром (0,19) Углерод (0,08) Стронций (0,02) Бор (0,01)И другиеБром (0,19) Углерод (0,08) Стронций (0,02) Бор (0,01)Рис. 2-5. Средний химический состав растворенных в морской воде солей (%).Рис. 2-5. Средний химический состав растворенных в морской воде солей (%).
Магний (3,68)
Сера (2,73)
Кальций (1,18)
Калий (1,10)
Магний (3,68)
Сера (2,73)
Кальций (1,18)
Калий (1,10)
И другие
Бром (0,19) Углерод (0,08) Стронций (0,02) Бор (0,01)
И другие
Бром (0,19) Углерод (0,08) Стронций (0,02) Бор (0,01)
Рис. 2-5. Средний химический состав растворенных в морской воде солей (%).
Рис. 2-5. Средний химический состав растворенных в морской воде солей (%).
Несмотря на то что в морской воде содержатся все элементы, из которых состоят горные породы, только четыре из них могут добыватья с экономической выгодой в значительных количествах: это натрий и хлор (извлекаемые в виде поваренной соли), магний и бром. Поваренная соль образуется при испарении морской воды и вод соленых озер во многих частях мира. Бром извлекается при добавлении сложного органического соединения — анилина, вызывающего осаждение из раствора почти не растворимого триброма- нилина, или при добавлении хлора, который вытесняет бром. (Исходным раствором для этого процесса служит морская вода, из которой уже удален хлорид натрия.) Магний извлекается при добавлении в морскую воду растворимого гидроксида кальция или, если из-этой воды уже удалены хлорид натрия и бром, путем выпаривания, в процессе которого осаждается гидроксид магния.
Состав морской воды определен сейчас довольно точно, то же самое можно сказать о суммарном объеме вод океанических бассейнов. Поэтому морские ресурсы ряда элементов, которые с экономической выгодой сегодня извлекаются из морской воды, должны быть отнесены к запасам. Эти запасы огромны и, по- видимому, могут удовлетворить все нужды в будущем.
Потенциальные ресурсы других элементов, в том числе и тех, что представлены в малых количествах и сегодня еще не извлекаются, также известны с высокой степенью точности. Так как объем всех океанов и морей составляет 1375-106 км3, их потенциальные ресурсы поистине огромны, и поэтому может возникнуть вопрос: почему же эти ресурсы не эксплуатируются более интенсивно? В ответ можно указать на две значительные трудности. Пока не будут найдены специфические реакции, позволяющие выделять только интересующий нас элемент или группу элементов, технологический процесс будет дорогостоящим из-за его высокой энергоемкости и нецелесообразным, если не смогут рационально использоваться те большие объемы попутных материалов, которые получатся в результате. Кроме того, хотя общие количества малораспространенных элементов в морской воде велики, для извлечения даже малого их количества необходимо переработать огромные объемы воды, поскольку он- центрации этих элементов ничтожны.
Интересно сравнить средние составы горных пород континентальной коры и морской воды (табл. 2-1). Такие ценные элементы, как золото и медь, более широко распространены в континентальной коре. Данные
Таблица 2-1. Содержание некоторых химических элементов в 1 км3 средней континентальной коры и в средней морской воде (в тоннах)
Элемент
В средней континентальной коре
В средней морской воде
Натрий
69 000 000
11 020 000
Калий
51 000 000
396 000
Хлор
5 700 000
19 800 000
Марганец
1 809 000
1,9
Цинк
170 000
2,0
Хром
130 000
0,2
Бром
120 000
68 000
Никель
100 000
2,0
Медь
86 000
2,0
Кобальт
32 000
0,05
Уран
7 800
3,3
Олово
5 700
0,8
Серебро
160
0,3
Золото
5
0,01
таблицы позволяют предполагать, что если когда-нибудь мы действительно исчерпаем месторождения суши и должны будем перейти на ресурсы либо в обычных горных породах, либо в морской воде, то и тогда выбор будет сделан в пользу извлечения элементов из горных пород суши. Выбор же в цользу морской воды мог бы быть сделан в случае разработки методов извлечения из нее полезных компонентов, ‘по крайней мере в тысячу раз более эффективных, чем методы их извлечения из горных пород. К сожалению, низкие концентрации большинства элементов в морской воде делают такую задачу слишком трудной, так как ясно, что придется перерабатывать большое количество воды. Подсчитано, например, что если в процессе извлечения мы будем перекачивать воду насосами и если завод, работая со 100 %-ным извлечением, будет перерабатывать 4,5 млн. л воды в минуту, то затраты на ее перекачку и переработку превысят суммарную стоимость всех получаемых при этом элементов, содержащихся в воде в меньших количествах, чем бор. Если окажется возможным исключить перекачку воды, то затраты должны значительно снизиться. Один способ извлечения полезных компонентов из воды без перекачки опробован. Морская вода содержит около 3,3 т урана в 1 км3. Металл может быть извлечен в том случае, если вода будет проходить через гидроксид титана, нанесенный на стеклянные волокна фильтра. Интересное предложение, сделанное несколько лет назад и исключающее применение насосов, заключалось в том, чтобы такие фильтры устанавливать в зонах действия приливов или под днищами курсирующих в океанах кораблей. Способ был проверен в лаборатории и затем испытан в зоне приливных течений в Ирландском море. Широкомасштабные испытания, как сообщалось, оказались весьма неэкономичными. Представляется, что новые экономически выгодные химические методы извлечения будут найдены для ряда элементов, однако выгоды могут повлечь за собой и новые проблемы. К сожалению — и это наиболее распространенная точка зрения — шансы достигнуть успеха невелики. Вместе с тем мы должны заключить, что для натрия, калия, магния, кальция, стронция, для элементов
группы галогенов (хлора, брома, иода и фтора), а также для серы, бора и фосфора, потециальные ресурсы которых в морской воде велики, эксплуатация со временем обязательно развернется.
Ограниченные возможности рентабельной добычи ряда элементов из морской воды не должны отвлечь нашего внимания от минеральных ресурсов океанического дна. Речь идет о марганцевых конкрециях и о недавно открытых медно-цинковых месторождениях вдоль Восточно-Тихоокеанского поднятия. Кроме того, морские воды являются достаточно мощным источником энергии. Эти возможности обсуждаются далее.
Атмосфера. Атмосфера сильно перемешана и практически повсеместно имеет одинаковый состав; кроме того, она целиком доступна для исследования. Состав атмосферы сравнительно прост и достаточно точно известен. Оценивая содержание некоторых атмосферных газов, мы опять же вправе пользоваться категорией «запасы».
Три газа — азот, кислород и аргон — составляют 99,9 % объема атмосферы. Наибольшее содержание имеет азот, являющийся необходимым компонентом удобрений. Кислород и аргон наряду с редкими газами — неоном, ксеноном и криптоном — также извлекаются из атмосферы, но в сравнительно меньших количествах. Эти газы не забираются из атмосферы непрерывно, поэтому можно сказать, что они являются возобновляемыми ресурсами. Их количества, которые мы используем, столь малы, что эта «добыча» не сказывается заметно на общем составе атмосферы.
По отношению к извлекаемым из атмосферы элементам газовая оболочка Земли представляет собой практически неограниченный источник.
Геохимические циклы
Мы основываемся на том факте, что Земля является динамичным телом, находящимся в непрерывном движении. В атмосфере всегда дуют ветры, моря непрерывно перемешиваются течениями и волнами, идут дожди и снег, и вода бежит к морю несчетным числом
каналов. Сейчас очевидно, что и твердая земля также является динамичным телом. Литосферные плиты скользят по астеносфере, сталкиваются и деформируются, в результате чего возникают горы; выветривание и эрозия постепенно разрушают их; мелкие частицы, образовавшиеся при разрушении гор, переносятся водными потоками в океаны, и из них формируются новые осадочные породы. Эти процессы повторяются вновь и вновь, цикл за циклом.
Все зоны Земли подвержены этим цикличным влияниям. Например, выветривание горных пород и транспортировка их мелких частиц охватывают кору, атмосферу и гидросферу. Воды гидросферы и газы атмосферы проникают в породы по трещинам и порам, реагируют с ними и разрушают их; так происходит выветривание. В этом процессе каждая из участвующих зон Земли несколько изменяется. Вода и газы (кислород и двуокись углерода) участвуют в реакциях с горными породами и таким образом уходят из своей обычной среды. Но есть также реакции, в процессе которых газы и вода образуются. Так в ходе реакции фотосинтеза в зеленых листьях растений в атмосферу непрерывно выделяется кислород, а метаморфизм горных пород, наоборот, приводит к выделению углекислоты и воды. В результате циклического развития, вовлекающего во взаимодействие мантию, кору, биосферу, гидросферу и атмосферу, каждая зона развивается и приобретает специфический состав. Мы называем циклическое развитие материалов геохимическими циклами, а получающуюся в результате стабильность состава — геохимическим равновесием.
Все месторождения, находящиеся в земной коре, сформировались в результате одного или нескольких геохимических циклов. Изучая их, можно сделать много важных заключений. Первое касается энергии, управляющей циклами: она генерируется в основном внутренним теплом Земли, которое обусловливает движение и столкновение континентов, а также питает вулканическую деятельность, и, кроме того, излучением Солнца, которое нагревает земную поверхность, порождая ветры, морские волнения и течения, эрозию и другие процессы, протекающие на поверхности. На
планете, лишенной внутренного тепла и вулканической активности, а также гидросферы отсутствуют геохимические циклы, в результате которых формируются месторождения. Минеральные ресурсы Земли уникальны и свойственны только Земле, что отражает характер и интенсивность происходивших на ней циклов.
t Второе важное заключение касается все возрастающего антропогенного воздействия на геохимические циклы. Мы сейчас так много строим и отводим под строительство такие большие площади, что это вызывает существенное изменение модели образования осадочных пород. Мы сжигаем нефть, природный газ и уголь в таких больших количествах, что выделяющаяся в процессе горения углекислота медленно, но неуклонно изменяет состав атмосферы. Наблюдаются и другие перемены, среди них — загрязнение речных русел, кислотные дожди, отравленные колодцы. Мы вынуждены признать, что человечество оказывает заметное влияние на большую часть геохимических циклов — на одни больше, на другие меньше, и если указанные выше изменения будут продолжаться, это может привести к необратимому изменению природных зон Земли.
Глава 3
Энергия, извлекаемая из горючих ископаемых
Когда анализируются фактические данные по темпам добычи угля и нефти в США и во всем мире, становится очевидным выдающееся значение двух выводов. Первый из них заключается в чрезвычайной краткости времени, за которое осуществилось развитие этих отраслей. Уголь, например, добывается почти 800 лет, однако половина его получена за последние 30 лет, а половина мировой совокупной нефтяной продукции падает на 12-летний период начиная с 1956 г.
Второе очевидное заключение состоит в том, что выдерживавшиеся на протяжении нескольких десятилетий темпы роста не могут сохраняться слишком долго. (AL King Hubbert, «Energy Resources», in: Resources and Man, edited by P. Cloud, 1969, U. S. National Academy of Sciences.)
За период c 1970 no 1978 г. мировое потребление энергии возросло на 30 %. (The World Environment, 1972—1982. A Report by the United Nations Environment Programme. Vol. 8 in the Natural Resources and The Environment Series.)
В гл. 1 мы видели, что энергетические ресурсы являются самым ценным минеральным продуктом, поэтому им мы и уделим прежде всего внимание.
t Единицы и источники энергии. / Прежде чем продолжить наше изложение, внесем ясность в некоторые термины. Энергия — это способность производить работу. Единицы ее измерения отражают вид производимой работы. Например, калория определяется как теплота, необходимая для нагревания 1 грамма воды на 1 °C; джоуль — энергия, необходимая для поддержания электрического тока в 1 ампер за 1 секунду при потенциале в 1 вольт. Конечно, энергия может превращаться из одной формы в другую, следовательно единицы энергии взаимозаменяемы. Один ^ДЖРу^ равен 01239 калории. Кроме джоуля и калории используется много других единиц энергии. Примером
могут служить Британская тепловая единица (Btu) и эрг. Чтобы избежать путаницы, возникающей при переходе от одной системы единиц к другой, мы будем использовать только джоуль.
Хотя полная энергия, которой мы располагаем, является важным количественным показателем, нас должна интересовать также скорость использования энергии, а это значит, что необходимо ввести показатель, зависящий от времени. Этот показатель называется мощностью и измеряет энергию, произведенную или использованную за фиксированную единицу времени. Вероятно, самой известной единицей мощности является лошадиная сила — старая единица, принятая . еще в 1766 г. Дж. Уаттом для сравнения скорости работы лошади и паровой машины. Единица мощности, испс/льзуемая в этой книге,—Jcltt; названа в честь Дж. Уатта; представляет собой мощность, при которой за время 1 сек совершается работа, равная 1 джоулю. Ватт, эквивалентный Г,341-10~3 л. с., особенно важен при обсуждении возобновляемых ресурсов. Например, суммарное количество солнечной радиации, поступавшей на Землю в прошлом, или количество энергии, которое достигнет Земли в будущем, неважно в плане потребления энергии в данный момент, однако скорость ее поступления на Землю именно сейчас является важной величиной, так как это максимальная скорость, с которой мы можем ее использовать.
Использование энергии человеком. Количество энергии, используемое в настоящее время человечеством в дополнение к силе человеческих мускулов, огромно. В 1983 г. население Земли, по оценкам, использовало 2,6-1020 Дж энергии, полученной из таких источников, как уголь, нефть, природный газ, гидроэлектрические и атомные станции. Нам точно не известно, сколько дров и кизяка сжигается ежедневно в кухонных печах многих стран Азии и Африки, но это количество должно быть довольно большим; если энергию, полученную от сжигания этого топлива, прибавить к числу 2,6-1020 Дж, то энергия, используемая всем населением Земли, возрастет по крайней мере до 3-1020 Дж. Это соответствует средней мощности расхода энергии 9,5-1012 Вт. Исходя из только что определенного значения 2,6-1020 Дж, в 1983 г., когда насе-
ление Земли составляло 4,4 млрд, человек, потребление энергии на душу населения достигало 60-1О9 Дж, что эквивалентно сжиганию 2 т угля или примерно 10 барр. нефти на каждого мужчину, женщину или ребенка. В мировом масштабе потребление электроэнергии на душу населения неуклонно растет, несмотря даже на то, что в некоторых промышленно развитых странах темп роста падает (рис. 3-1).
Годы
Рис. 3-1. Потребление дополнительной энергии на душу населения. Такие источники, как дрова и кизяк не учтены. Жители индустриальных стран, таких, как Япония, Великобритания и США, имеют более высокие нормы потребления энергии, нежели жители развивающихся стран, в основном аграрных, как, например, Бирмы и Танзании. (По данным ООН.)
Тем не менее это количество ничтожно мало по сравнению с солнечной радиацией, достигающей ежедневно поверхности Земли— 1,5-1022 Дж. Ясно, что проблема энергии как ресурса — не в ее общем возможном количестве, а скорее, в количествах, получаемых из источников, которые мы предпочитаем и в состоянии использовать в настоящее время. Лишь небольшая доля энергии поступает из возобновляемых источников — гидроэлектростанций, солнечной радиации, сжигания дров, ветра и водяных колес. Гораздо большее се количество дают невозобновляемые источники, особенно горючие ископаемые — уголь, нефть и при-
родный газ. Из рис. 3-2 видно, что количество используемой в мире энергии продолжает возрастать за счет нефти и газа. Ситуация в промышленно развитых странах, например в США, отличается от положения в мире в целом, но ненамного. В общем на долю
Рис. 3-2. Используемая в мире дополнительная энергия, извлекаемая из многих источников, но главным образом из угля, нефти и природного газа. (По данным ООН.)
природного газа приходится 21 %, а на долю сырой нефти — 45 % всей энергии. В США широкая сеть газопроводов существенно облегчает использование газа, поэтому здесь указанные величины равны соответственно 37 и 32 %.
В любой дискуссии о природных ресурсах важен вопрос о способах их использования. Особенно это касается энергетических ресурсов, поскольку способ получения энергии во многом определяет способ ее использования. Например, атомные станции производят электричество, однако электричество не может обеспечить движение грузовика, для которого нужно моторное топливо. Поэтому в индустриальном обществе,
Источники энергииИсточники энергииИспользованная энергияИспользованная энергияРис. 3-3. Источники и потребители дополнительной энергии в США в 1982 г. (проценты от общего количества используемой энергии). Некоторая часть нефти и газа используется во внеэнергетических целях, главным образом для получения нефтехимических продуктов. Хотя доля разных источников в общих поставках энергии изменяется, области и эффективность ее использования сохраняются почти неизменными. (По данным J. D. Morgan, Горное бюро США.)Рис. 3-3. Источники и потребители дополнительной энергии в США в 1982 г. (проценты от общего количества используемой энергии). Некоторая часть нефти и газа используется во внеэнергетических целях, главным образом для получения нефтехимических продуктов. Хотя доля разных источников в общих поставках энергии изменяется, области и эффективность ее использования сохраняются почти неизменными. (По данным J. D. Morgan, Горное бюро США.)
Источники энергии
Источники энергии
Использованная энергия
Использованная энергия
Рис. 3-3. Источники и потребители дополнительной энергии в США в 1982 г. (проценты от общего количества используемой энергии). Некоторая часть нефти и газа используется во внеэнергетических целях, главным образом для получения нефтехимических продуктов. Хотя доля разных источников в общих поставках энергии изменяется, области и эффективность ее использования сохраняются почти неизменными. (По данным J. D. Morgan, Горное бюро США.)
Рис. 3-3. Источники и потребители дополнительной энергии в США в 1982 г. (проценты от общего количества используемой энергии). Некоторая часть нефти и газа используется во внеэнергетических целях, главным образом для получения нефтехимических продуктов. Хотя доля разных источников в общих поставках энергии изменяется, области и эффективность ее использования сохраняются почти неизменными. (По данным J. D. Morgan, Горное бюро США.)
я о
о X?
Е ф
О
X X Е
X
X X?
о X W о
Е ^ X
ф
X
X
S а
s
X X? о
5
$3 о
^
X X
X
S
W о □ Со Ф 2 Е х
СПСП
материал встречается в каждой осадочной горной породе, однако большая его часть является рассеянной и трудно извлекаемой. На сегодня мы научилисьматериал встречается в каждой осадочной горной породе, однако большая его часть является рассеянной и трудно извлекаемой. На сегодня мы научилисьразования в истории Земли приходится на интервал 350—250 млн. лет назад. Угленосные отложения, формировавшиеся в этот стомиллионный промежуток времени, обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи отлагались в Северной Америке, Европе и Азии. В течение великих периодов углеобра- зования (пермского и каменноугольного) Северная Америка, Европа и Азия долгое время были в экваториальных и умеренных широтах, где теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Континенты современного Южного полушария — Южная Америка, Австралия и Африка — пребывали в теплом климате сравнительно короткий период, а в высоких, холодных широтах, напротив,— продолжительное время. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой, но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как.в великую угольную эпоху, закончившуюся 250 млн. дет назад.разования в истории Земли приходится на интервал 350—250 млн. лет назад. Угленосные отложения, формировавшиеся в этот стомиллионный промежуток времени, обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи отлагались в Северной Америке, Европе и Азии. В течение великих периодов углеобра- зования (пермского и каменноугольного) Северная Америка, Европа и Азия долгое время были в экваториальных и умеренных широтах, где теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Континенты современного Южного полушария — Южная Америка, Австралия и Африка — пребывали в теплом климате сравнительно короткий период, а в высоких, холодных широтах, напротив,— продолжительное время. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой, но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как.в великую угольную эпоху, закончившуюся 250 млн. дет назад.Торф —-первая стадия образования угля — является низкосортным горючим материалом, т. е. характе-Торф —-первая стадия образования угля — является низкосортным горючим материалом, т. е. характе-месторождения образуются только тогда, посту: пление глины и других обломочных пород (неточнс именуемых золой) невелико. В совреме? ую эпох) области накопления торфа на Земле довольно редкц К ним можно отнести болото Дисмал в шт. Виргинииместорождения образуются только тогда, посту: пление глины и других обломочных пород (неточнс именуемых золой) невелико. В совреме? ую эпох) области накопления торфа на Земле довольно редкц К ним можно отнести болото Дисмал в шт. Виргиниисокую тепл^генерирующую, или теплотворную, способность. ^Захороненный и уплотненный торф претерпевает сери^реакций. Изгоняются большие количества воды, кислорода, азота и других компонентов, перво-сокую тепл^генерирующую, или теплотворную, способность. ^Захороненный и уплотненный торф претерпевает сери^реакций. Изгоняются большие количества воды, кислорода, азота и других компонентов, перво-мощностью 2 м покрывает площадь в 5,7 тыс. кммощностью 2 м покрывает площадь в 5,7 тыс. кмСамые ранние ископаемые остатки наземных и пр* сноводных растений, которые предположительно прН изошли от существовавших в то время пресноводный растений — переходных от примитивных организмов сложным — встречаются в горных породах возраст!Самые ранние ископаемые остатки наземных и пр* сноводных растений, которые предположительно прН изошли от существовавших в то время пресноводный растений — переходных от примитивных организмов сложным — встречаются в горных породах возраст!
материал встречается в каждой осадочной горной породе, однако большая его часть является рассеянной и трудно извлекаемой. На сегодня мы научились
материал встречается в каждой осадочной горной породе, однако большая его часть является рассеянной и трудно извлекаемой. На сегодня мы научились
разования в истории Земли приходится на интервал 350—250 млн. лет назад. Угленосные отложения, формировавшиеся в этот стомиллионный промежуток времени, обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи отлагались в Северной Америке, Европе и Азии. В течение великих периодов углеобра- зования (пермского и каменноугольного) Северная Америка, Европа и Азия долгое время были в экваториальных и умеренных широтах, где теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Континенты современного Южного полушария — Южная Америка, Австралия и Африка — пребывали в теплом климате сравнительно короткий период, а в высоких, холодных широтах, напротив,— продолжительное время. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой, но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как.в великую угольную эпоху, закончившуюся 250 млн. дет назад.
разования в истории Земли приходится на интервал 350—250 млн. лет назад. Угленосные отложения, формировавшиеся в этот стомиллионный промежуток времени, обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи отлагались в Северной Америке, Европе и Азии. В течение великих периодов углеобра- зования (пермского и каменноугольного) Северная Америка, Европа и Азия долгое время были в экваториальных и умеренных широтах, где теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Континенты современного Южного полушария — Южная Америка, Австралия и Африка — пребывали в теплом климате сравнительно короткий период, а в высоких, холодных широтах, напротив,— продолжительное время. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой, но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как.в великую угольную эпоху, закончившуюся 250 млн. дет назад.
Торф —-первая стадия образования угля — является низкосортным горючим материалом, т. е. характе-
Торф —-первая стадия образования угля — является низкосортным горючим материалом, т. е. характе-
месторождения образуются только тогда, посту: пление глины и других обломочных пород (неточнс именуемых золой) невелико. В совреме? ую эпох) области накопления торфа на Земле довольно редкц К ним можно отнести болото Дисмал в шт. Виргинии
месторождения образуются только тогда, посту: пление глины и других обломочных пород (неточнс именуемых золой) невелико. В совреме? ую эпох) области накопления торфа на Земле довольно редкц К ним можно отнести болото Дисмал в шт. Виргинии
сокую тепл^генерирующую, или теплотворную, способность. ^Захороненный и уплотненный торф претерпевает сери^реакций. Изгоняются большие количества воды, кислорода, азота и других компонентов, перво-
сокую тепл^генерирующую, или теплотворную, способность. ^Захороненный и уплотненный торф претерпевает сери^реакций. Изгоняются большие количества воды, кислорода, азота и других компонентов, перво-
мощностью 2 м покрывает площадь в 5,7 тыс. км
мощностью 2 м покрывает площадь в 5,7 тыс. км
Самые ранние ископаемые остатки наземных и пр* сноводных растений, которые предположительно прН изошли от существовавших в то время пресноводный растений — переходных от примитивных организмов сложным — встречаются в горных породах возраст!
Самые ранние ископаемые остатки наземных и пр* сноводных растений, которые предположительно прН изошли от существовавших в то время пресноводный растений — переходных от примитивных организмов сложным — встречаются в горных породах возраст!
которыекоторыепланеты была покрыта мхами, лишайниками и водо-планеты была покрыта мхами, лишайниками и водо-отлагались в течение миллиарда лет сущестфцо млн. лет. А до этого времени дневная поверхность
которые
которые
планеты была покрыта мхами, лишайниками и водо-
планеты была покрыта мхами, лишайниками и водо-
вования жизни на Земле. Скорость аккумуляции была
в миллион раз ниже скорости, с которой мы теперь добываем и сжигаем органический материал; такимв миллион раз ниже скорости, с которой мы теперь добываем и сжигаем органический материал; такимрослями и должна была выглядеть совершенно иначе, чем сегодня. Древнейшие отложения угля встречаются образом, горючие ископаемые являются по существу ^ породах, имеющих возраст 370 млн. лет. Самые древневозобновляемым ресурсом. ^Фактически органический цие месторождения угля известны в Канадской Арктике;
в миллион раз ниже скорости, с которой мы теперь добываем и сжигаем органический материал; таким
в миллион раз ниже скорости, с которой мы теперь добываем и сжигаем органический материал; таким
их возраст 350 млн. лет. Важнейший период углеоб-
использоватьиспользоватьтолько три вида горючих ископаемых
использовать
использовать
уголь, нефть и природный газ. ^Большая троицам поставляет в настоящее время свыше 95 % мировой энергии - (рис. 3-2), но, возможно, когда-нибудь мь будем использовать и другие источники, такие, как твердый органический материал в тонкозернистые осадках и особенно в породах, называемых горючим^ сланцами.
Уголь, Этот вид горючих ископаемых образуется'и3 остатков пресноводных растений. Отмершие ветви стволы, листья, семена и споры падают в густозарос- шие болота, где они становятся топляками и оседают не дно. В результате бактериального разложения покрытые когда-то водой и защищенные от атмосферь древесные растительные остатки превращаются в геле:
подобную массу торфа/ В стоячей воде быстро рас ходуются запасы кислорода, умирают бактерии, пре кращается гниение и накапливается торф. у Мощны.
залежи торфа могут образоваться только в том случае|^изуется высоким содержанием воды и сравнительно если болото в процессе накопления оседает, а богаты^низким содержанием углерода и поэтому имеет невы-
начально присутствующих в растениях, после чего ос- и Северная Каролина, где современный торф средней Дается все более плотный и богатый углеродом уголь. с 7"’I Со временем происходит процесс углефикации, приво-
^ящий к увеличению сортности топлива (рис. 3-4); Поэтому чем уголь древнее и чем он глубже захоронен, Wm он обычно более высокосортный/по сравнению с ■ юлее поздними и приповерхностными углями. Положительным следствием того факта, что великий период
углеобразования закончился 250 млн. лет назад, явЛслужбы США в 1969 г. опубликовал результаты са-
ется высокосортность наибольшей части угля, добьи иого глубокого для того времени анализа мировых емого в настоящее время. Если все известные yi запасов ископаемых углей. Сделав несколько специфи- и торфы сравнить по теплотворности, то битумин ческих предположений относительно их извлекаемости, ные угли, или антрациты, составят 62 %, субби; Эверитт оценил мировые запасы всех видов углей в минозные угли —28,3%, лигниты — только 8,6 —
№20 млрд, т, а дополнительные потенциальные ресур-№20 млрд, т, а дополнительные потенциальные ресур-Рис. 3-4.Рис. 3-4.его марки.его марки.Увеличение теплотворной способности угля с повышен»Увеличение теплотворной способности угля с повышен»гы — в 6650 млрд. т. При этом извлекаемыми считались запасы углей в пластах мощностью более 30 см, залегающих на глубине не более 2000 м. Угли, не отвечающие этим требованиям,— например, хорошо известные пласты ниже предельных для добычи глубин — были отнесены к потенциальным ресурсам. t В настоящее время потенциальные ресурсы ископаемых углей оценены достаточно точно; с некоторыми оговорками суммарные запасы и потенциальные ресурсы составляют 15 270 млрд, т, что эквивалент- , но тепловой энергии порядка 4,2-1023 Дж. Не известно, сколько же Аверитт исключил угля, ограничиваясь мопгг мо пластов в 30 см, но, вероятно, это количе- с гак велико. К сожалению, весь уголь из пласта добыч гвозможно, и во многих случаях при подземных разработках извлечение на уровне 50 % считается хорошим. Используя эти 50 % как величину извлекаемой части угля, Аверитт пришел к выводу, что мы сможем в целом добыть 7135 млрд, т угля, что эквивалент- ( но примерно 2,1 • 1023 Дж. Как видно из рис. 3-5, геогра- ^фическое распределение запасов угля весьма неравномерно. Известны и более поздние исследования запасов угля, но они мало что меняют в оценке Аверитта. Рнемирная энергетическая конференция 1980 г. увели- ; ла, например, оцененные извлекаемые ресурсы всех видов угля до 13 800 млрд. т. Сюда включены только что открытые месторождения угля в Австралии, но в
№20 млрд, т, а дополнительные потенциальные ресур-
№20 млрд, т, а дополнительные потенциальные ресур-
Рис. 3-4.
Рис. 3-4.
его марки.
его марки.
Увеличение теплотворной способности угля с повышен»
Увеличение теплотворной способности угля с повышен»
данном случае толкование того, какой уголь является торфы— 1,1 % (поданным Всемирной энергетическ< извлекаемым, было более широким, чем у Аверитта.
конференции 1980 г.).конференции 1980 г.).Очень многие угольные бассейны были удивителОчень многие угольные бассейны были удивителНезависимо от того, какое количество угля мы примем
конференции 1980 г.).
конференции 1980 г.).
Очень многие угольные бассейны были удивител
Очень многие угольные бассейны были удивител
Очень многие угольные бассейны были удивител за извлекаемое, география его распределения останется но стабильными и со времени своего образования !той же самой: примерно 43г%^хглёщмира залегают в СССР, 29 % — в Северной Америке, 14,5 % — в
подвергались ни метаморфизму, ни быстрой эрозив СССР, 29 % —j3 Северной Америке, 14,5 % — в Некоторые геологи полагают, что большая часть гла: странах Азии (бёз-СС^С-Р), главным образом в Китае,подвергались ни метаморфизму, ни быстрой эрозив СССР, 29 % —j3 Северной Америке, 14,5 % — в Некоторые геологи полагают, что большая часть гла: странах Азии (бёз-СС^С-Р), главным образом в Китае,ных угольных бассейнов (но не обязательно все) уя открыта. Исходя из этого, Аверитт из Геологическс
подвергались ни метаморфизму, ни быстрой эрозив СССР, 29 % —j3 Северной Америке, 14,5 % — в Некоторые геологи полагают, что большая часть гла: странах Азии (бёз-СС^С-Р), главным образом в Китае,
подвергались ни метаморфизму, ни быстрой эрозив СССР, 29 % —j3 Северной Америке, 14,5 % — в Некоторые геологи полагают, что большая часть гла: странах Азии (бёз-СС^С-Р), главным образом в Китае,
и 5,5 %— в Европе. На остальной мир приходится только 8 %.
Широкое использование угля как топлива началось в XII в. н. э., когда жители северо-восточного по-
Рис. 3-5. Географическое распределение запасов угля. Большая часть извлекаемых запасов приходится на Северную Америку, Европу и Азию. Континенты Южного полушария сравнительно бедны углем.
бережья Англии обнаружили, что воспламеняющиеся черные породы, обнажающиеся в береговых утесах при выветривании, являются хорошим заменителем дров. С тех пор новый вид топлива, известный как «морские головешки» (черный цвет придает ему сходство с углями из костра), широко используется, причем в таких масштабах, что в 1273 г. возбужденные лондонцы выражали недовольство в связи с отвратительным запахом и загрязнением воздуха, возникшими от сжигания угля. Однако это никого не испугало, и использование угля в качестве топлива быстро распространялось. Хотя уголь во всем мире не является ведущим видом топлива, в некоторых странах он все еще преобладает, а возможные в буду-
щем трудности в снабжении нефтью и газом наводят на мысль о том, что в грядущие десятилетия использование угля может быстро возрасти. Возможно, что к 2020 г. уголь снова станет господствующим топливом на планете.
Каким бы хорошим топливом ни был уголь, при его использовании возникает много трудностей. Он содержит от 0,2 до 7 % серы, присутствующей в основном в виде пирита FeS2, сульфата закисного железа FeSO4-7H2O, гипса CaSO4-2H2O и некоторых органических соединений. Когда уголь сгорает, выделяется окисленная сера, выбросы которой в атмосферу могут вызвать в окружающей среде такие нежелательные явления, как смог и кислотные дожди. Сжигание угля с низким содержанием серы не дает столь серьезных последствий, однако в большинстве случаев уголь необходимо обрабатывать либо в процессе сжигания, либо до него, чтобы понизить уровень выделения серы в атмосферу. Такая обработка обходится дорого и, по мнению специалистов, не вполне надежна. Бурная реакция лондонцев в 1273 г. на едкие сернистые выделения свидетельствует о давности этой проблемы. Другая животрепещущая проблема — это сама добыча угля. Подземные методы разработки трудны и даже опасны, кроме того, они вредны для здоровья. Разработка открытым способом более эффективна и менее опасна, но вызывает нарушение поверхностного слоя на большой площади. Более того, только 4 % всех ископаемых углей залегают достаточно близко от по
верхности или слагают достаточно мощные пласты, что является необходимым условием для открытой добычи. В США для такой разработки пригодны 130 млрд. т. угля из общих запасов в 3900 млрд. т. Цоэтому в течение длительного времени подземная добыча, несмотря на ряд трудностей, будет оставаться преобладающей формой разработки угольных месторождений.
Нефть и природный газ^Весь попавший в осадки органический материал изначально был твердым. Небольшая часть твердого материала при соответствующем повышении температуры претерпевала серию хи-
мических изменений, в ходе которых какая-то часть материала превращалась в жидкости и газы. Именно они и явились предшественниками нефти и природного газаА|Гораздо большее количество оставшегося органического материала могло превратиться в жидкости и газы в условиях еще более высоких температур и давлений, однако всегда оставались и непревращен- ные остатки. Этот не прогретый до высоких температур твердый органический материал в составе тонкозернистых осадочных пород, называемых горючими сланцами, специалисты предлагают извлекать и перерабатывать в условиях необходимых температур и давлений для эффективного превращения его в жидкости и газы.
/ Нефть и природный газ, подобно углю, находятся в осадочных породах и состоят главным образом из химических соединений, называемых углеводородами (рис. 3-6). Хотя распространение нефти и газа не ограничивается морскими осадочными породами, в них они развиты более широко, чем в пресноводных отложениях, и, по-видимому, более обильны в бассейнах с высоким процентным содержанием тонкозернистых богатых органикой осадков. Все осадки содержат некоторое количество органического обломочного материала и различных жидких углеводородов. Во многих часто встречающихся породах, таких, как сланцы и известняки, можно даже обнаружить мельчайшие капельки нефти в ассоциации с твердым органическим веществом. Это убедительно свидетельствует в пользу того, что источником нефти служит широко распространенный осадочный органический материал растительного или животного происхождения. Кроме того, образование нефти и газа начинается, по-видимому, сразу после захоронения органического материала.
Компоненты нефти и газа, образовавшиеся самыми первыми, имеют высокие молекулярные массы, подобные массам компонентов твердого материала, из которого они произошли, и представляют собой очень вязкие нефти. После захоронения по мере роста температуры и давления большие молекулы непрерывно разрушаются, или расщепляются, на более легкие и
V
Рис. 3-6. Нефтеносные осадочные породы и районы локализации нефти и газа. Континентальные шельф и склон, янущиеся под водой на глубинах до 2000 м, содержат большие потенциальные ресурсы нефти и газа, которые нередко связаны с лежащими в их основании и выступающими в сторону моря осадочными бассейнами. Предполагается, что мощные пачки молодых осадков за пределами континентального склона — в районе так называемого континентального подножия — также содержат большие ресурсы нефти и газа.
более подвижные. Чем длительнее процесс, тем все «более легкой», или менее вязкой, становится нефть. Хотя элементарный химический состав изменяется не сильно и большая часть нефти и природного газа оказывается в пределах сравнительно узкого ряда химических смесей (табл. 3-1), различие образующихся
Таблица 3-1. Состав типичных нефти и газа (%)
Элемент
Нефть
Природный газ
Углерод
82,2—87,0
65—80
Водород
11,7—14,7
1—25
Сера
0,1—5,5
Следы — 0,2
Азот
0,1 —1,5
1 — 15
Кислород
0,1—4,5
—
(Из кн.: Geology of Petroleum, Second Edition, by A. I. Levorsen. W. H. Freeman and Company, Copyright, 1967.)
компонентов столь велико, что нет даже двух нефтей, содержащих одну и ту же молекулярную смесь.
По мере того как углеводородные молекулы становятся все более легкими и все более подвижными, они легко мигрируют. Пути миграции в данном осадочном бассейне остаются неопределенными, однако ясно, что по мере погружения осадочных толщ, нефть, газ и вода, заполняющие межзерновые пространства, медленно выжимаюдся и мигрируют к поверхности. Тонкозернистые богатые органикой сланцы, являющиеся источником нефти и газа, почти непроницаемы, потому что проходы, соединяющие отдельные поры, тончайшие и движение флюидов существенно замедляется. Медленное движение нефти и газа к сосед- ним^ более проницаемым осадочным слоям, таким, как песчаники и известняки, является, следовательно, первым шагом в процессе миграции. Под давлением перекрывающих горных пород жидкости в проницаемых слоях растекаются по латерали через поровое пространство. Нефть и газ легче воды и поэтому концентрируются в верхней части проницаемого слоя. Если на путях миграции встречаются барьеры или ло-
Типы нефтяных ловушекТипы нефтяных ловушек59%Песчаники59%Песчаники40% Карбонатные породы40% Карбонатные породы
Типы нефтяных ловушек
Типы нефтяных ловушек
59%Песчаники
59%Песчаники
40% Карбонатные породы
40% Карбонатные породы
Типы пород, слагающих резервуары
Рис. 3-7. Типы ловушек и резервуаров нефти в горных породах и данные о долях (%) мировой добычи нефти, получаемой из каждого типа. (Из кн. Man’s Physical World, by J. E. Van Piper. Copyright 1962 by McGraw-Hill, Inc. С разрешения McGraw-Hill Book Company.)
вушки (рис. 3-7), нефть и газ накапливаются, заполняя большинство пор в ловушке.; Важно понять, что так называемые «залежи» нефти и газа в действительности представляют собой твердые горные породы и что только поровое пространство содержит нефть и газ.
Б. Скиннер
Успешное извлечение нефти и газа в большой степени зависит от того, насколько быстро они будут вытекать из пор в скважины, которые мы пробурим.
Тот факт, что утечка нефти и газа из пачки осадочных пород происходит медленно, доказывается тем, что самые высокие отношения объема нефтяных залежей к объему осадков обнаруживаются в наиболее молодой группе нефтеносных осадков, отложившихся не позднее 2,5 млн. лет назад. Наблюдениями подтверждается также, что общее количество нефти и газа, попавшее в ловушки, убывает по мере движения в глубь веков. До недавнего времени даже предполагалось, что не существует значительных скоплений нефти и газа, более древних, чем кембрийские (570 млн. лет), хотя известны сланцы, богатые органикой, которые по возрасту более чем в 2 раза древнее. В настоящее время на примере СССР и в меньшей степени Австралии показано, что осадки, значительно более древние, чем протерозойские, также могут содержать газовые поля, хотя здесь отношение уловленного газа к объему осадков весьма низкое.
Содержание природного газа, который является самой легкой фракцией углеводородов (и в особенности метана СН4), может варьировать от небольших количеств, растворенных в нефти, до газовых шапок над нефтяными залежами и, наконец, до отдельных скоплений, не связанных с ближайшими залежами нефти. Все эти скопления имеют ценность. Технологические совершенствования в прокладке трубопроводов, а позднее — ив эффективном сжижении газа приводят к широкому использованию природного газа в качестве топлива.
Нефть и газ, так же как и уголь, географически распространены широко, но неравномерно. Причины такого распределения не столь очевидны, как в случае с углем. Типы богатых органикой осадков, которые могут быть источником нефти и газа, развиты очень широко, но, для того чтобы достаточное количество твердого органического материала превратилось в нефть и газ, осадки должны испытать воздействие умеренно высоких температур, причем преобразование должно произойти, пока осадки еще проницаемы
и могут служить проводниками для мигрирующих флюидов. Даже если все прочие условия являются благоприятными, реальное улавливание нефти может произойти только в узком временном интервале. Большинство нефтяных и газовых полей фиксируются в ловушках, подготовленных складчатостью и трещиноватостью вмещающих горных пород. Ловушки, конечно, должны быть сформированы до того, как начнется ми- грация и утечка большей части нефти и газа, а это, по-видимому, дело до некоторой степени случайное. Твердая на вид земная поверхность на самом деле подвижна и постоянно подвергается медленным вертикальным и горизонтальным движениям; поэтому почти все осадочные породы деформируются на определенном этапе своей истории. Большинство деформаций, очевидно, происходят после главного периода образования нефти и газа и их миграции, так что большая Доля образующихся нефти и газа не улавливается, теряется. По оценкам геологов, шансы совпадения периодов образования нефти и газа с формированием больших ловушек столь малы, что не более 0,1 % органического материала, отложенного в материнских породах, окончательно улавливается нефтяными залежами. Однако там, где имеет место сочетание всех факторов, как, например, в Саудовской Аравии, Кувейте и Иране, могут быть уловлены поистине громадные количества нефти. Из известных на сегодня крупнейших нефтяных Полей Саудовской Аравии может быть извлечено около 50 млрд. барр. нефти.
Производство и потребление нефти и газа достигло таких огромных размеров, что уже с трудом можно вспомнить, что первая скважина на природный газ была пробурена во Фредонии, шт. Нью-Йорк, в 1821 г , а промышленная добыча нефти началась только в 1857 г — немногим более 100 лет назад — в Румынии; двумя годами позже началась добыча в США. Мировое потребление как сырой нефти, так и природного газа многие годы возрастало приблизительно на 8,5 % в год, что соответствует периоду удвоения — 8 лет. Короткий спад в потреблении нефти последовал за нефтяным кризисом 1973 г., однако с 1975 г. рост потребления возобновился (рис. 3-8>. Нефть и газ исполь-
Рис. 3-8. Мировая добыча нефти. Отчетливо виден узкий минимум на фоне устойчивого подъема, являющийся результатом нефтяного кризиса 1973 г. в странах ОПЕК. Расчетная величина коэффициента теплотворной способности — 6*109 Дж/барр. (По данным ООН и Горного бюро США )
зуются настолько широко, что насущным становится вопрос о достаточности их запасов.
Хотя предприятия нефтяной и газовой индустрии 1 обеспечены запасами на ближайшее будущее, они нуждаются в надежном способе оценки пока еще не обнаруженных потенциальных ресурсов. Нефтяные и газовые залежи невелики по сравнению с угленосными полями и могут быть обнаружены только ценой больших затрат. Однако хорошо известно, где на Земле находятся осадочные породы (рис. 3-6), и если предположить, что на неэксплуатировавшихся площадях потенциал нефти почти такой же, как на большинстве
освоенных площадей, то можно провести геологическую ошейку предельных извлекаемых мировых ресурсов нефти и газа. Такие оценки выполнены рядом 'авторитетных ученых, которые пришли к результатам, различающимся между собой в три-четыре раза. Элемент неопределенности связан с уточнением доли нефти, принимаемой в качестве извлекаемой из уже обнаруженных залежей. Существующее значение (35 % У некоторыми авторами рассматривается как слишком низкое^ а другими — как вполне реалистическое. Другой источник неопределенности заключается в том, что остается неясным, изучены ли осадочные бассейны оцениваемого района столь же хорошо, как уже освоенные площади, например, в США. Если принять 1470 м3 газа, равным по теплотворности 1 барр. нефти или 6*109 Дж, то большинство оценок мировых извлекаемых потенциальных ресурсов нефти и газа окажутся в пределах 1 • 1022 —2,6-1052 Дж. Сюда же входят залежи нефти и газа, которые еще следует обнаружить и подготовить к отработке на континентальных шельфах, континентальном склоне и в крупных скоплениях осадков вдоль основания многих континентальных склонов.
Одна из наиболее авторитетных и самых оптимистических оценок была дана Всемирной энергетической конференцией (1980 г.): 1,5* 1022 Дж для извлекаемой нефти и 1,1 *10$2 Дж для газа (обе цифры приведены к тепловому эквиваленту).
На рис. 3-9 показано, как распределены ресурсы, сколько имеется доказанных запасов и сколько уже добыто. Заметим, что отношение нефти к газу варьирует от места к месту. Некоторые площади, такие, как Северная Америка или СССР вместе с Китаем и Восточной Европой, по-видимому, сравнительно богаты газом, тогда как Африка и Средний Восток сравнительно богаты нефтью. Кроме того, относительно высока доля уже отработанных запасов в Северной и Южной Америке.
Насколько надежны оценки потенциальных ресурсов, подобные приведенным ни рис. 3-9? На самом деле мы не сможем определить, какими будут окончательные цифры, пока нефть и газ не будут полностью извле-
Доля мирового объема, %Доля мирового объема, %Рис. 3-9. Потенциальные ресурсы нефти и газа (% от мирового объема) Совокупная добыча и достоверные запасы показаны ио каждому региону по состоянию на 1980 г Энергетический эквивалент оцененных потенциальных ресурсов 1,5- Ю22 Дж и газа — 1,1 • 1022 Дж (По данным тической конференции )Рис. 3-9. Потенциальные ресурсы нефти и газа (% от мирового объема) Совокупная добыча и достоверные запасы показаны ио каждому региону по состоянию на 1980 г Энергетический эквивалент оцененных потенциальных ресурсов 1,5- Ю22 Дж и газа — 1,1 • 1022 Дж (По данным тической конференции )
Доля мирового объема, %
Доля мирового объема, %
Рис. 3-9. Потенциальные ресурсы нефти и газа (% от мирового объема) Совокупная добыча и достоверные запасы показаны ио каждому региону по состоянию на 1980 г Энергетический эквивалент оцененных потенциальных ресурсов 1,5- Ю22 Дж и газа — 1,1 • 1022 Дж (По данным тической конференции )
Рис. 3-9. Потенциальные ресурсы нефти и газа (% от мирового объема) Совокупная добыча и достоверные запасы показаны ио каждому региону по состоянию на 1980 г Энергетический эквивалент оцененных потенциальных ресурсов 1,5- Ю22 Дж и газа — 1,1 • 1022 Дж (По данным тической конференции )
нефти составляет Всемирной энерге-
чены из недр Однако есть наблюдения, свидетельствующие о приемлемой надежности этих цифр. Геологи в широко исследованных и освоенных районах наблюдали, что более половины общих запасов нефти и газа приходится на несколько гигантских бассейнов; кроме того, ими отмечено, что гигантские бассейны обнару
живаются первыми. Наибольшая неопределенность в оценках, приведенных на рис. 3-9, по-видимому, относится к наименее изученным площадям — Антарктиде (для которой существующие оценки столь малы, что на рис. 3-9 даже не показаны), Австралии и Китаю. Конечно, глубоководные скопления осадков у подножия континентальных склонов также нуждаются в проверке; они могут оказаться значительно богаче, чем сейчас предполагается.
Из существующих знаний о ресурсах нефти и газа, отраженных на рис. 3-9, можно вывести ряд важных заключений, однако только три из них заслуживают особого внимания. Во-первых, очевидно, что регионы, которые сейчас являются главными производителями v нефти и газа и которые имеют наибольшие доказанные запасы, обладают также и наибольшим потенциалом для новых открытий. Во-вторых (и это можно вывести из рис. 3-9), ресурсы нефти и газа, подобно многим другим минеральным ресурсам, распространены на земном шаре очень неравномерно. Страны Южного полушария, как и в случае с углем, по-видимому, обладают меньшей долей. Третье заключение связано с оценками ресурсов нефти и газа и темпов мирового годового потребления, которое в 1983 г. превзошло 1,8»1О20 Дж. Даже если для всего мира количество извлекаемых ресурсов нефти и газа окажется близким к оптимистической оценке (2,6* 1022 Дж), то при сохранении существующей скорости роста потребления половина .суммарных ресурсов будет использована к 2003 г ; если же предположить, что газ заменит нефть после того, как нефтяные ресурсы будут исчерпаны, все ресурсы нефти и газа иссякнут к 2015 г. Эта ситуация не будет иметь драматического характера, так как задолго до указанного срока начнут во все увеличивающихся размерах использоваться другие виды топлива. Но этот пример показывает, что история нефти и газа может оказаться очень короткой — не многим более 150 лет.
Битуминозные пески, горючие сланцы и другие горючие ископаемые. Когда из скважины, пробуренной на месторождении, выкачивается нефть, не менее 60 % ее
первоначального количества остается в недрах, запечатанного в поровом пространстве в виде межзерновых пленок и в неизмеримо малых пустотах и трещинках в горных породах. За геологически длительное время запечатанная нефть могла бы постепенно стечь в скважину, но это бесполезно, ибо нефть нужна именно сегодня. В результате запечатанная часть нефтяной залежи оказывается неизвлекаемой существующими методами. Определенный успех в ускорении истечения нефти был достигнут с помощью таких средств, как взрывание и дробление горных пород резервуара, прогревание недр и нагнетание в резервуар двуокиси углерода или пара под высоким давлением; к сожалению, и эти методы все еще оставляют в недрах не менее половины изначальной нефти. Таким образом, запечатанная нефть представляет собой потенциальный ресурс, но, если даже этот ресурс и будет использоваться, потребуется обновление технологии добычи.
Особенно густая и вязкая нефть называется тяжелой нефтью или, более обыденно, битумом, дегтем, гудроном или асфальтом. Деготь — это нефть, которая содержит большие молекулы углеводородов, но не способна течь или мигрировать; деготь остается на месте в виде материала, цементирующего зерна минералов пористых песчаников. Для извлечения углеводородов из таких пород нужно использовать процессы, подобные применяемым при вторичном извлечении; чтобы деготь приобрел подвижность, породу следует прогреть струей пара или газа (типа двуокиси углерода); полученный таким образом экстракт дегтя необходимо переработать, чтобы извлечь ценную фракцию нефти. Для некоторых тяжелых нефтей, подобных добываемым в шт. Калифорния (США), прогревание и процессы газовой промывки могут быть проведены непосредственно под землей, однако многие гудроны столь вязки, что они могут извлекаться только шахтным способом, путем проведения горных выработок, с последующей переработкой на поверхности. Это означает, что могут использоваться только неглубокие месторождения, до которых можно добраться горными выработками. К счастью, для горных работ доступно крупнейшее в мире месторождение битуминозных пе-
Рис. 3-10. Площади развития битуминозных песков в провинции Альберта (Канада) . Первая их коммерческая разработка началась вблизи Форт- Мак-Марри, но широкое освоение ресурсов вряд ли возможно до начала XXI в.
сков Тар-Сэнд, которое находится в северной части провинции Альберта (Канада) в долине реки Атабаска (рис. 3-10). Такие пески в небольшом масштабе эксплуатируются ныне около города Форт-Мак-Марри. Однако решение технических проблем связано с определенными трудностями и требует значительных расходов, поэтому разработка битуминозных песков получит широкое развитие, по-видимому, в следующем столетии.
Битуминозные пески Атабаски развиты на площади не менее 75 000 км2, достигая мощности 60 м; при условии 50 %-ного извлечения битума запасы состав-
ляют 0,31 • 1022 Дж. Известны два других крупных месторождения битуминозных песков. Согласно оценкам, месторождение Ориноко (Венесуэла) почти столь же велико, как и канадское, однако Оно залегает на большей глубине, что вызовет значительные трудности при добыче. Согласно сообщениям, Оленёкское месторождение (СССР) имеет приблизительно такие же размеры, как и Атабаска, но здесь также встают проблемы извлечения. Других столь же крупных месторождений на Земле пока не известно, однако во время поисков нефти попутно обнаружено много мелких месторождений. Если предположить, что при поисках тяжелой нефти будет открыт ряд неизвестных в настоящее время крупных месторождений, и допустить, что коэффициент извлечения на них составит 50 %, то, по мнению многих специалистов, потенциал тяжелой нефти будет примерно равен потенциалу сырой нефти вместе с природным газом, т. е. 2,5-1022 Дж.
Подобно тому как битуминозные пески и тяжелые нефти обещают в будущем продолжение производства нефтепродуктов, так и природный газ можно будет добывать из нетрадиционных источников. Природный газ — главным образом метан СН4 — является обычным продуктом распада органического вещества. Поэтому природный газ присутствует во многих разновидностях осадочных пород, которые отличаются большой плотностью и, следовательно, низкой проницаемостью. Однако извлечение газа из плотных образований — процесс дорогостоящий и технологически сложный, так как для увеличения проницаемости вмещающих пород их необходимо разрушить. Кроме того, во многих осадочных пластах поры заполнены рассолами, которые находятся под давлением, значительно превышающим нормальное гидростатическое давление. Высокое давление способствует растворению метана в рассолах, что приводит к образованию огромных потенциальных ресурсов природного газа в так называемых водоносных горизонтах с избыточным давлением. Самая известная зона аномальных давлений находится в США, вдоль побережья шт. Техас и Луизиана, и представляет собой полосу шириной 100 км и длиной в несколько сот километров. Здесь осадочные породы со-
держат пласты с раствором метана в горячих рассолах с таким избыточным давлением, как будто они опущены на глубину 16 000 м.
Вопрос о том, сколько же в конце концов можно извлекать газа из плотных песков и сланцев или из во^ доносных горизонтов с избыточным давлением, остается пока открытым. В сообщении, опубликованном в 1980 г., приведена оценка, согласно которой уже сейчас можно повсеместно получать газ из нетрадиционных источников в количестве, эквивалентном 0,07*1022 Дж, но и это количество ничтожно мало по сравнению с 4,5* 1022 Дж, которые, по оценке правительства США, можно извлекать из водоносных пластов с избыточным давлением только на территории США. Ясно, что потенциальные ресурсы нетрадиционного природного газа огромны и, возможно, достигают 10* 1022 Дж, однако доля извлекаемого газа остается неопределенной, являясь функцией дальнейшего развития технологии.
Перейдем к последнему виду ископаемого органического топлива, ресурсы которого превышают даже угольные, хотя большая их часть вряд ли станет осваиваться. Все осадочные породы содержат некоторую долю органического материала, а в обычной тонкозернистой их разновидности — сланцах — его достаточно много, чтобы экстрагировать нефтепродукты путем нагревания горной породы с тем, чтобы вызвать необходимые превращения. Если органический материал, содержащийся во всех сланцах мира, преобразовать и использовать в качестве топлива, то такие ресурсы могли бы обеспечить по меньшей мере 1026 Дж энергии, а возможно, и больше. Однако эти прогнозы не так оптимистичны, как кажутся на первый взгляд.
При переработке сланцев используется энергия на их добычу и нагревание. Легко подсчитать, что на переработку 1 т сланцев нужно затратить столько энергии, сколько ее получается при сжигании 40 л нефти. Однако большая часть сланцев не дала бы 40 л нефти или эквивалентного количества газа, поэтому обычные сланцы не могут рассматриваться в качестве потенциального энергетического ресурса до тех пор, пока не будут найдены новые или улучшены старые способы извлечения нефти из этих пород. Несомнен-
нмй интерес представляют только те сланцы, которые при переработке 1 т сырья могут дать более 40 л нефти. , Богатейшие месторождения таких сланцев, расположенные в Эстонской ССР, дают до 32Q л нефтепродуктов на 1 т сырья.
Соединенные Штаты Америки располагают крупнейшими в мире запасами горючих сланцев. В межгорной впадине на территории штатов Колорадо, Вайоминг и Юта в течение эоценовой эпохи существовали три больших мелководных озера; в них формировались осадочные серии, богатые органическим материалом, которые в настоящее время представляют собой горючие сланцы (рис. 3-11). Известные как горючие сланцы
Рис. 3-11. Значительная часть территории США подстилается сланцами, богатыми органическим веществом и залегающими достаточно близко от поверхности. Из них можно получать не менее 40 л нефти на тонну. Наиболее богатые горючиё сланцы обнаружены в штатах Колорадо, Юта и Вайоминг. (По данным Геологической службы США, 1969.)
Грин-Ривер, они иногда могут давать до 240 л нефти на 1 т. Запасы, оцененные Геологической службой США, огромны. Учитывая только сланцы, способные производить более 40 л на 1 т, и предполагая, что
может быть извлечена и переработана только полЪвина всех сланцев, потенциальные ресурсы месторождения Грин-Ривер оцениваются в 0,75* 1022 Дж. Большая часть этого потенциала расположена в бассейне Пайсинс (шт. Колорадо).
Многие годы производство нефти из сланцев успешно ведется в СССР (Эстонская ССР) и в Китае. В США также предпринимались попытки промышленной переработки сланцев Грин-Ривер, показавшие, что технически это возможно, однако пока еще не доказано, что полученные нефтепродукты экономически конкурентоспособны с нефтью и природным газом. Вопрос о промышленной эксплуатации сланцевых запасов бассейна Пайсинс исследовался рядом крупных компаний, но многие специалисты обеспокоены возможными побочными явлениями. Разработка должна вестись в широких масштабах, при этом объем тонких сажистых отходов производства будет во много раз больше объема исходных перерабатываемых сланцев. Следовательно, главная проблема заключается в том, как удалить эти отходы производства.
Кроме сланцев Грин-Ривер в недрах США содержится много других ресурсов горючих сланцев, однако все они или менее богаты, или не столь легко доступны. Согласно оценке Геологической службы США, потенциальные ресурсы горючих сланцев США с выходом 40 л нефти из осадочных пластов мощностью не менее 1,5 м и 50 %-ным извлечением могут достигать 7-Ю22 Дж. Большая часть этого потенциала находится в центральной и восточной частях страны (рис. 3-11). Разработка на такой громадной площади кажется невероятной, и в который уже раз мы убеждаемся в необходимости поисков новых более совершенных технологий.
В других частях света богатые ресурсы горючих сланцев исследованы недостаточно, однако уже найдены новые крупные месторождения, такие, например, как в Квинсленде (Австралия). Ресурсы горючих сланцев Ирати (юго-восточная Бразилия), вероятно,
самые значительные за пределами Северной Америки и составляют, по-видимому, половину ресурсов горючих сланцев Грин-Ривер в США. На других континентах известны столь же обширные, как и в США, месторождения горючих сланцев, но более низкого качества. Их ресурсы не были точно оценены, однако, по мнению экспертов Геологической службы СЩА, исходивших из 40-л выхода нефти из 1 т сырья и 50 %-ного извлечения, потенциальные ресурсы этих месторождений составляют 1024 Дж.
Сравнение ресурсов горючих ископаемых
Нас не должен приводить в состояние благодушия тот факт, что ресурс, слагаемый всеми видами горючих ископаемых, в количественном выражении кажется очень большим (табл. 3-2). Во-первых, следует обра-
Таблица 3-2. Потенциальные ресурсы горючих ископаемых *
Горючее ископаемое
Количество в недрах, 1022 Дж
Количество, которое может быть извлечено, 1022 Дж
Уголь
42
21
Нефть и газ (подвижные)
2,6
2,6
Запечатанная нефть (неподвижная)
2,5
0—?
Тяжелая нефть (битуминозные пески)
5,0
0,5-—2,5
Нетрадиционный природный газ
104*
0,07—?
Горючие сланцы
(более 40 л на 1 т)
200
1,0—?
(менее 40 л на 1 т)
10 000
?
Мировое потребление нефти и газа
0,018
в 1983 г.
Мировое потребление энергии в 1983 г.
0,03
* При условии что 1 т угля эквивалентна 27,2-109 Дж, а I баррель нефти — 6 -109 Дж
вторых, нефть и газ — два вида топлива, вызывающие наибольший интерес,— наименее обильны. А ведь именно их добыча и переработка обходятся наиболее дешево с точки зрения использования рабочей силы и Охраны окружающей среды. Широкомасштабный переход на другие виды топлива неизбежно будет сопровождаться повышением цен и необходимостью решения ряда новых проблем, таких, например, как разрушение земель в связи с горными работами крупного масштаба и развитие новых и больших транспортных систем. Горючие ископаемые вносят свой отрицательный вклад в проблему охраны окружающей среды. При сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасывается двуокись углерода. Состав атмосферы остался бы без изменения,
Рис. 3-12. Возрастание содержания двуокиси углерода в атмосфере по замерам обсерватории в зоне вулкана Мауна-Лоа (Гавайские острова). Годовые осцилляции возникают вследствие сезонных циклов фотосинтеза и др в Северном полушарии. (Из кн. Geophysical Monitoring for Climate Change published by National Oceanic and Atmospheric Administration.)
если бы темп выброса двуокиси углерода был медленным, так как ее излишек в процессе фотосинтеза поглощался бы растениями или растворялся в океане,
на дно которого она в конце концов осаждалась бы в виде карбоната кальция. Но сейчас мы сжигаем ископаемое топливо и вырабатываем двуокись углерода значительно быстрее, чем ее могут поглотить растения и океан. В результате этого уровень двуокиси углерода в атмосфере медленно возрастает (рис. 3-12). Взаимодействие двуокиси углерода и электромагнитного излучения может привести к ряду экологических проблем. Коротковолновое излучение в виде света, приходящего от Солнца, пронизывает атмо- сФеРУ> не взаимодействуя с двуокисью углерода. Солнечные лучи нагревают сушу и море, и уже тепловая энергия излучается в пространство в виде длинноволновой радиации. Двуокись углерода замедляет прохождение длинноволновой радиации, что вызывает потепление атмосферы, а это в свою очередь ведет к медленному потеплению климата на Земле. Остается только гадать, как подобные изменения будут влиять на такие локальные факторы, как количество осадков и сельское хозяйство.
Исходя из вышесказанного, можно сделать одно совершенно очевидное заключение — необходимо все больше обращаться к источникам энергии, использование которых исключает разработку недр и сжигание горючих ископаемых. Поэтому в следующей главе мы рассмотрим иные источники энергии, размещенные непосредственно на земной поверхности.
Глава 4
Энергия будущего
Энергия — обязательное условие существования современного общества. Поддержание уровня жизни возрастающего населения, подъем его благосостояния, сохранение национальной безопасности, рост изобилия и увеличение помощи развивающимся странам — вот цели, которые общество сможет достичь при условии неуклонного роста производства энергии. Если более низкие энергетические издержки предоставляют обществу больше свободы действий в достижении своих целей, то наличие энергии — это первое требование для того, чтобы обладать свободой действий во всем. (Доклад Президенту США Дикси Ли Рэя, декабрь, 1973 г.)
Чем заменить горючие ископаемые, если когда-нибудь обнаружится истощение их запасов или если их использование приводит к нежелательным экологическим последствиям? Утверждение д-ра Рэя, приведенное выше, подчеркивает необходимость в далеко идущих ответах. Помимо горючих ископаемых, мы уже получаем энергию из таких источников, как гидроэлектростанции, атомные станции, дрова, солнце, приливы, ветры и тепло земных недр. Но общество, как это показано в гл. 3, попало в столь жесткую зависимость от горючих ископаемых, что на долю других источников приходится менее 10 % используемой энергии. Потребление энергии населением Земли возросло к 1983 г. до 3- 1020 Дж в год, причем это количество постепенно нарастает. Потребление 3- 1020 Дж энергии в год соответствует мощности 9,5* 1012 Вт, а это означает, что, за исключением нефти, газа и угля, все другие источники поставляют менее МО12 Вт. Для неуклонного роста жизненного уровня населения в развивающихся странах и сохранения цивилизации на Земле необходимо, чтобы соотношение используемых источников топлива в конечном счете изменилось и человечество освободилось от своей тяжелой зависимости от горючих ископаемых. Поэтому в этой главе внимание будет уделено тем источникам топлива, которые могут быть перспективными в будущем.
Коротковолновое ДлинноволновоеКоротковолновое ДлинноволновоеизлучениеизлучениеизлучениеизлучениеЭнергия приливов27-UP2 ВтЭнергия приливов27-UP2 ВтПриливы приливные течения и т дПриливы приливные течения и т д2 7 1012Вт2 7 1012ВтПроводимость 21*10г2ВтПроводимость 21*10г2Вт0 035 10’6 Вт0 035 10’6 ВтПодводный вулканизмПодводный вулканизмИспарениеи выпадение осадков4 0 1016 ВтИспарениеи выпадение осадков4 0 1016 ВтЗапасыводы и льдаЗапасыводы и льдаФотосинтез0 004 10’6 ВтФотосинтез0 004 10’6 ВтНакопление в растенияхНакопление в растенияхРаспадРаспад10'26 дж10'26 джОрганическая материяОрганическая материяископаемые2 5-1023 ДЖископаемые2 5-1023 ДЖна глубинена глубине
Коротковолновое Длинноволновое
Коротковолновое Длинноволновое
излучение
излучение
излучение
излучение
Энергия приливов27-UP2 Вт
Энергия приливов27-UP2 Вт
Приливы приливные течения и т д
Приливы приливные течения и т д
2 7 1012Вт
2 7 1012Вт
Проводимость 21*10г2Вт
Проводимость 21*10г2Вт
0 035 10’6 Вт
0 035 10’6 Вт
Подводный вулканизм
Подводный вулканизм
Испарениеи выпадение осадков
4 0 1016 Вт
Испарениеи выпадение осадков
4 0 1016 Вт
Запасыводы и льда
Запасыводы и льда
Фотосинтез0 004 10’6 Вт
Фотосинтез0 004 10’6 Вт
Накопление в растениях
Накопление в растениях
Распад
Распад
10'26 дж
10'26 дж
Органическая материя
Органическая материя
ископаемые2 5-1023 ДЖ
ископаемые2 5-1023 ДЖ
на глубине
на глубине
Коротковолновоеизлучение Солнца17 3 10’6 Вт
П ря мое отражение52 1016 Вт
’ Прямое превращение в тепло 81 1Q16 Вт
Ветры океаническиетечения волны и тд
11 Ю’2 Вт
Вулканы и горячиеисточники на суше0 3 1012 Вт т
। Тепловая энергияЗемли
32 3-1012 Вт
на глубине 1 км5 1029 Дж
Рис. 4-1 Поток энергии окутывает поверхность Земли Энергия поступает на земную поверхность в виде коротковолнового солнечного излучения, образуется при вращении Земли, реализуясь в океанских приливах, и выносится из недр планеты в виде теплового потока Поскольку температура поверхности постоянна, энергия, излучаемая в пространство, должна быть равна энергии, достигающей поверхности (По данным М К Hubbert, 1962, с упрощениями Pub 1Q0O-D, Committee on Natural Resources, National Academy of Science)
Поток земной энергии. Прежде чем оценить отдельные вида ресурсов, рассмотрим общий бюджет энергии земной поверхности (рис 4-1) На поверхность Земли энергия поступает из трех источников Первый источник — это кинетическая энергия вращения Земли, определенная часть которой нам доступна благодаря тому, что океанские приливы являются постоянным тормозом, замедляющим вращение планеты К счастью, скорость замедления чрезвычайно мала — долгота дня увеличивается не более чем на тысячную долю секунды за столетие — но ее достаточно, чтобы 2,7 • 1012 Вт мощности рассеивалось приливами Приливы являются возобновляемым источником и для практических
целей обладают, конечно, достаточной энергией, хотя ио сравнению с другими источниками ресурсы их невелики
Второй источник — это энергия земных недр, она поступает на Землю в форме тепла, называемого обычно геотермальным, и достигает поверхности со скоростью 32,3-1012 Вт Определенная часть этого тепла связана с бурными процессами, которые миллиарды лет назад сформировали нашу планету г но сейчас высокие температуры внутри Земли поддерживаются теплом, выделяемым при спонтанном распаде природных радиоактивных элементов — урана и тория Если искусственно ускорить процесс распада атомов, как это делается на атомных станциях, то накопленные в Земле уран и торий перейдут в категорию невозобновляемых ресурсов громадной величины. В качестве ресурсов атомной энергии (рис 4-1) рассматриваются только уран и торий, сосредоточенные в самой верхней 1-км кромке континентов Ядерный потенциал Земли огромен и никогда не может быть полностью использован не только потому, что невозможно переработать на глубину в 1 км всю поверхность суши, но еще и потому, что для извлечения урана и тория из горных пород потребуется больше энергии, чем ее может быть произведено потребителями этого сырья — атомными станциями
Третий источник — это Солнце, которое посылает на поверхность тепло и свет Ежедневно на Землю поступает 1,5- 1022 Дж солнечной энергии, или в единицах мощности — 17,3« 1016 Вт Этот огромный поток свидетельствует по существу о безграничности солнечной энергии, и вопрос в том; как ее использовать и как сделать эта разумна и без ущерба Поступающая солнечная энергия настолько превышает энергию приливов и тепла недр, что она затрагивает почти каждый процесс и каждое живое существо на земной поверхности Около 30 % приходящих лучей отражается облаками и земной поверхностью, но большая их часть проникает в атмосферу и следует далее различными путями (рис 4 1) Нагревая атмосферу, океаны и сушу, сол- печное тепло вызывает ветры, дожди, снегопада и океанские течения Однако вся энергия вновь излучается
в холодный космос, сохраняя земную поверхность в тепловом равновесии. Небольшая часть солнечной энергии временно аккумулируется в водных резервуарах — озерах и реках, другая же часть — в живых растениях и животных. Следовательно, дрова и гидроэлектроэнергия являются возобновляемыми источниками энергии. Как показано в гл. 3, уловленный и захороненный в осадках органический материал аккумулирует запас солнечной энергии на значительно более продолжительные сроки полного цикла существования осадочных горных пород.
Энергия приливов
Приливы являются результатом гравитационного притяжения Луны и Солнца, причем, воздействие Луны значительно больше. Мы можем нарисовать два приливных вала: один из них обращен к Луне, а другой, уравновешивающий первый, находится на противоположной стороне Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси, валы двигаются и каждый день образуют две высокие и две низкие приливные волны. Сила приливов, следовательно, является выражением силы вращения планеты. Континенты, острова и мелководные участки действуют как барьеры на пути плавного прохода приливных валов, поэтому сила приливов здесь увеличивается.
Притяжение Солнца и неровности рельефа осложняют эту простую картину. Высота приливов не везде одинакова. Она редко превышает один метр в глубоком океане, а над континентальным шельфом может достигать 20 м. Движение столь огромной массы воды требует большого количества энергии. Суммарная мощность приливов оценивается в 2,7-1012 Вт, что за год составляет 0^85* 1020 Дж.
В утилизации приливов и отливов существует много проблем. Во Франции (река Ранс) и в СССР (Кислая губа) станции уже генерируют электричество из приливных волн. Как показали эти опыты, для эффективной работы станций требуются высота приливной волны более 5 м и наличие перекрытых легкими плотинами заливов или эстуариев. К сожалению, почти
везде прибрежные приливы имеют высоту около 2 м, и только примерно 30 мест на Земле удовлетворяют указанным требованиям. Наиболее важными из них являются: два смежных залива — Файди (Канада) и Пассймакуодди (США); французское побережье вдоль Ла-Манша, где станция на реке Ранс успешно действует уже много лет; обращенные к Ирландскому морю эстуарии рек Англии; Белое море (СССР) и побережье Кимберли (северо-западная Австралия). Если предположить, что каждое из этих мест будет полностью освоено и в каждом из них будет извлекаться 20 % энергии приливов, то общая мощность приливов могла бы составить 0,032-1012 Вт. Это немного по сравнению с сегодняшними потребностями общества, но очень много для отдельных площадей, где приливы высоки. Таким образом, энергия приливов может иметь важное (хотя и местное) значение в будущем, потому что является одной из немногих энергетических систем, которые действуют без серьезного ущерба для окружающей среды.
Энергия земной тверди
Геотермальная энергия. Тот, кто спускался в шахту, знает, что температура горных пород с глубиной увеличивается. Измерения, проведенные в глубоких скважинах, показали ее увеличение от 15 до 75 °C на километр. В ядре Земли температура, вероятно, превышает 5000 °C. Размер Земли столь велик, что внутри ее заключено громадное количество тепловой энергии.
Тепло перетекает от горячего тела к холодному, поэтому от Земли в пространство постоянно идет медленный поток тепла. В среднем из недр к поверхности поступает 6,3-10-6 Дж/(см2-с), или в единицах мощности— 32,3-1012 Вт. Общее количество тепла огромно, ,но оно сильно рассеяно. Если бы все тепло, выделяющееся с 1 м2, можно было бы собрать и использовать для нагрева чашки воды, то понадобилось бы пять суток, чтобы довести ее до кипения.
Несмотря на постоянные потери тепла, Земля остывает очень медленно — так медленно, что остывание невозможно измерить за короткий промежуток челове-
ческого бытия. Этому есть две взаимосвязанные причины. Во-первых, горные породы являются плохим проводником тепла, а внешние слои для горячих недр планеты играют роль теплоизоляторов. Во-вторых, постоянно добавляется новое тепло. Незначительные ко
личества природных радиоактивных атомов, главным образом ^U\ 23$U, 232Th и 40К, распространены в недрах Земли повсеместно. Каждый раз, когда распадается радиоактивный атом, высвобождается некото
рое количество тепла. Например, атомы перечисленных выше элементов в средних по составу изверженных породах континентальной коры высвобождают 3,9 X X 19 ^9 Дж на грамм породы в день. В отдельности — это немного, но суммированное для всей Земли это количество достаточно, чтобы поддерживать скорость остывания, не превышающую, согласно оценкам, 100°С/млрд. лет. Ясно, что недра Земли будут оставаться горячими еще миллиарды лет.
Оценка геотермального тепла как потенциального энергетического ресурса сложна тем, что требует уточнения исходных понятий. Что в точности подразумевается под геотермальной энергией? Это не может быть все тепло Земли, так как большая часть земных недр недоступна. Если принять во внимание только верхние 10 км континентальной коры — всего одна скважина (в СССР) пробурена на большую глубину2, а тепло океанической коры доступно для использования лишь на островах, поскольку вся остальная ее часть покрыта океанами,— то несложно подсчитать, что тепловая энергия Земли со средней температурой поверхности выше 10 °C огромна, а именно 1,3- 1027 Дж. Геотермальное тепло уже используется в ряде удачно
расположенных мест земного шара, но насколько больше можно было бы получать энергии, если бы все это количество тепла можно было рассматривать как потенциальный топливный ресурс? А если это возможно, то каким образом извлечь тепло и во что такое
извлечение обойдется? Это именно тот сложный технико-экономический вопрос, который возникает, когда обсуждаются нетрадиционные источники энергии. По- видимому, существуют два пути извлечения тепла недр
Приблизительно две трети тепла, теряемого Землей (со скоростью 2М012 Вт), достигает поверхности благодаря теплопроводности горных пород. Замена горных пород лучшими проводниками, например металлическими стержнями, ускорила бы поток тепла, но это, по-видимому, уже из области фантастики. Остаток тепла — 11,3 •1012 Вт — переносится к поверхности горячими флюидами низкой плотности, поднимающимися по более холодным и более плотным горным породам. Процесс переноса тепла потоком подвижного материала называется конвекцией. Наиболее важную роль в конвективном переносе тепла играют магма, горячая вода и пар, которые обычно находятся в тесной географической ассоциации, так как магма выносит на приповерхностные глубины аномально горячие жидкие массы. Большая часть конвективного тепла (по оценкам, 11-1012 Вт) достигает поверхности земной коры вдоль оси срединно-океанических хребтов, при этом морская вода является охлаждающей средой. Никто пока не знает, каким образом можно воспользоваться подводным вулканическим теплом, но, как использовать вулканическое тепло суши, мы уже знаем. Если комплекс гарных пород, обладающих пористостью и проницаемостью, окажется рядом с приповерхностным магматическим телом, внедрившимся в континентальную кору, то образуется подземный резервуар пара и воды, нагретых магмой (рис. 4-2). Горячая вода и пар, содержащиеся в порах пород, формируют то, что иногда не совсем правильно называют «геотермальный бассейн». Если такой «бассейн» содержит проницаемые горные породы, то горячая вода и пар могут быть выведены на поверхность через буровые скважины и использованы для приведения в действие электрических турбин. Если жидкость слишком перегрета, образуется пар; когда же она менее горячая, имеет место смесь воды и пара или, как в большинстве геотермальных бассейнов, просто горячая вода.
Рис. 4-2. Геотермальные резервуары на суше находятся в тех местах, где подвергаются прогреву насыщенные водой пористы? и проницаемые породы. Такое прогревание обычно происходит в областях современной или недавно завершившейся вулканической активности, какими являются, например, западные районы США, Япония, Мексика, Исландия, Италия и Новая Зеландия.
Так как пар предпочтительнее для электрогенерирующих турбин, до сих пор осваиваются только те геотермальные бассейны, которые содержат пар. Они используются в Исландии, Японии, Италии, Индонезии, на Филиппинах, в СССР, США и Новой Зеландии; в будущем планируется освоение ряда других бассейнов. В некоторых районах геотермальные горячие воды уже используются для обогрева домов, плавательных бассейнов и теплиц, но хотя число примеров такого использования быстро растет, они имеют все же’ малое значение по сравнению с производством электроэнергии.
К сожалению, конвективный тепловой поток через центры вулканизма на суше мал (примерно 0,3-1012 Вт). По данным экспертов Геологической службы США, мировые запасы геотермальной энергии на глубине до 3 км, которой, по-видимому, в континентальной коре
ограничивается "наличие больших геотермальных бассейнов, составляют примерно 8*1(Р Дж. Это обескураживающе малое количество. Поэтому предполагается, что геотермальная энергия, подобно энергии приливов, будет иметь сугубо местное значение и не сыграет большой роли в глобальном масштабе. Суммарная тепловая энергия в геотермальных областях, конечно, значительно больше 8»1019 Дж. Но эта оценка основана на низкой эффективности, с которой электричество может быть генерировано из геотермального пара. Опыт, полученный в Исландии, Новой Зеландии и Италии, подтверждает, что эффективно может быть извлечено не более 1 % тепловой энергии бассейна.
Естественно спросить, а нельзя ли создать рукотворные геотермальные бассейны, чтобы можно было задействовать огромные резервуары тепла в обычных горных породах. Для проверки этой идеи уже проводятся эксперименты в США и Франции, а возможно, и в других странах. Местом эксперимента в США выбран Джемез-Маунтинс (шт. Нью-Мексико). Здесь, на склонах недавно потухшего вулкана, бурением можно достичь горячих, сухих горных пород на умеренных глубинах. Были пробурены две скважины, и горные породы между ними были на глубине раздроблены контролируемыми взрывами, чтобы создать необходимые пористость и проницаемость. Холодная вода подается сверху по одной скважине, нагревается, проходя горячие, раздробленные породы, и возвращается на поверхность через вторую скважину. Та же самая вода используется вновь и вновь. До сих пор эксперимент был лишь отчасти успешным: с одной стороны, он выявил трудности контроля за качеством дробления пород, но, с другой — показал, что в техническом отношении проект осуществим. Что же касается его экономической эффективности, то это вопрос 'будущего.
Запасы гидротермальной энергии в природных резервуарах составляют лишь малую долю всего геотермального тепла. Среди экспертов нет единого мнения относительно того, как велика в горячих, сухих породах доля тепла, которую следовало бы рассматривать как потенциальные ресурсы. Величина этой из-
влекаемой части целиком зависит от оптимизма по поводу будущих успехов технологии. Ее значение читатели могут выбрать сами. Автор скептически относится к возможности получения больших количеств энергии за счет горячих, сухих горных пород, поэтому он оценивает потенциальные ресурсы в 1020 Дж, т. е. примерно на том же уровне, что и запасы энергии геотермальных бассейнов.
Рис. 4-3. Энергия связи, выделяющаяся при превращениях атомных ядер, изменяется в зависимости от числа протонов и нейтронов в ядре Чем ниже положение атома на кривой, тем большая энергия необходима для того, чтобы протоны и нейтроны соединились в его ядро. Стрелки показывают направление движения вдоль кривой изменения энергии связи в ходе реакций деления и синтеза
Энергия деления ядер. Ядерная энергия образуется в результате процесса, впервые расшифрованного Альбертом Эйнштейном, который в 1905 г. показал, что материя и энергия могут быть преобразованы друг в друга. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов. Однако, если измерить массу атома, она всегда окажется чуть-чуть меньше суммы масс отдельных
протонов и нейтронов. Гелий, например, имеет два протона и два нейтрона и должен был бы весить 4,4)4403 а. е. м. В действительности же он весит только 4,00260 а. е м. Недостающая масса превратилась в энергию, когда частицы соединились с образованием ядра.
Распад ядра на составные части можно осуществить только с помощью энергии, достаточной для замены недостающей массы. Недостающая масса, следовательно, действует как своего рода клей, удерживающий частицы вместе, и называется связанной энергией или энергией связи ядра. Связанная энергия, приходящаяся на протон или нейтрон в ядре, изменяется вместе с общей массой атома (рис. 4-3). Чем ниже место атома на кривой энергии связи, тем больше высвобождается энергии, когда он образуется.
Так как на кривой энергии связи имеется изгиб, /высвободить атомную энергию можно с помощью двух процессов (рис 4-3). Первый из них — слияние или синтез легких элементов, таких, как водород и литий, при котором образуются более тяжелые элементы. Это процесс, идущий на Солнце и в водородной бомбе. Хотя синтез, при котором полученная энергия превосходила бы затраченную, пока не осуществлен в лабораторных условиях, некоторые ученые полагают, что успех все-таки будет достигнут и синтез элементов сможет стать главным источником энергии в будущем. Второй процесс — тр а нсфор м а ци я, ил и деление (рас- падУтяжелых элементов, таких/Тсак уран и торий, но не на составляющие протоны и нейтроны, а на два или более атомов промежуточной массы, стоящих ниже на кривой энергии связи. Деление — процесс, идущий в атомной бомбе. Поскольку эта реакция может контролироваться, деление уже используется для генерации электричества на атомных электростанциях. Поэтому в первую очередь мы рассмотрим энергию, высвобождающуюся в результате распада радиоактивных элементов
Некоторые радиоактивные элементы образуются при делении в процессе нейтронной бомбардировки ядер, что приводит к нестабильности атомов и самопроизвольному их распаду. Если в процессе распада
высвобождаются также нейтроны, происходит само- поддерживающая или цепная реакция. Природной способностью к распаду обладает только уран-235, который составляет всего 0,7 % общего количества природных атомов урана. Цепная ядерная реакция урана-235 впервые была осуществлена проф.^ Энрико Ферми 2 декабря 1942 г. в Одном из наиболее важных экспериментов, -когда-либо проведенных на Земле.
Стоимость выделения атомов урана-235 и? атомов более распространенного урана-238 высока. Однако при распаде одного атома урана-235 высвобождается 3,2-10-11 Дж энергии. Поскольку в 1 г урана-235 содержится 2,56-Кг1 атомов, при распаде 1 г урана образуется 8,19-1010 Дж, что эквивалентно энергии, получаемой при сжигании 2,7 т угля. В 1980 г. на ура- не-235 работало 186 атомных электростанций в 20 странах. Многие станции имеют более одного реактора, при этом и число действующих реакторов, и число стран, где они установлены, неуклонно растет. Это происходит несмотря на тот факт, что в США к моменту завершения работы над данной книгой были аннулированы контракты на строительство новых атомных элек,- тростанций, а из-за ошибок, выявленных в их конструкциях, отменено действие лицензий для ряда уже законченных станций. По сообщениям, в 1980 г. суммарная мощность 186 атомных электростанций составляла 110-109 Вт, что достаточно для обеспечения 7,6 % потребляемой в мире электроэнергии. Согласно отчетам, среди стран, где действуют атомные электростанции, США занимают первое место по использованию атомной электроэнергии (45,5 % электроэнергетики), затем идут Европа (28 %) и Япония (11,8 %), Перед руководством атомных электростанций, использующих уран-235, встает много важных вопросов. Один из них — экономический: мол^ет ли производство уранового топлива быть дешевле добычи эквивалентного по энергии количества угля или нефти и может ли строительство атомных электростанций по объему капиталовложений конкурировать с угольными и нефтяными электростанциями. Богатейшие рудники могут поставлять уран стоимостью несколько центов за грамм. Поскольку уран-235 составляет лишь 0,7 %
всей массы урана, без учета трудностей и дороговизны его отделения от урана-238, стоимость урана-235 окажется равной 3,00 долл, за грамм. Добыча угля, эквивалентного по энергии 1 г урана-235, стоит по крайней мере 15,00 долл., если он добыт из самых дешевых шахт. Поскольку большая часть самопроизвольно распадающегося урана идет на производство вооружений, цены разделения урана в соответствующем процессе не публикуются ни в США, ни в других странах. Однако, очевидно, что они ниже 12 долл, за грамм, т. е. разница между ураном и эквивалентным количеством угля определенно в пользу урана-235, благодаря чему уран в настоящее время — экономически конкурентоспособное топливо. Что касается экономики проектирования и строительства атомных электростанций, то она менее ясна. Двадцатилетний опыт показывает, что расходы увеличиваются, а не уменьшаются, ибо перед инженерами встают все более и более сложные задачи. -Именно поэтому в последние годы многие контракты на строительство атомных электростанций были либо отложены на время, либо аннулированы.
Наряду с экономическими вопросами остро встает проблема безопасности, которую большинство человечества осознает как наиболее тревожную проблему современности. Если атомные электростанции окажутся несостоятельными по каким-либо причинам и произойдет выброс радиоактивных веществ в окружающую среду, последствия могут быть катастрофическими. К счастью, больших аварий еще не было \ но несколько случаев, близких к этому, имели место и, безусловно, возможны в будущем. Однако представляется еще более тревожной, нежели безопасность самих станций, проблема удаления радиоактивных отходов. Последние сотни лет остаются токсичными и должны захороняться в удаленных местах таким образом, чтобы радиоактивные вещества не могли попасть в подземные воды, атмосферу или биосферу. Хотя геологи могут указать множество мест, где природные скопления радиоактивных элементов надежно
1 Эти строки написаны до аварии на Чернобыльской АЭС Прим перев
запечатаны в горных породах, одной человеческой репутации ученого едва ли достаточно для уверенности в безопасном хранении, например, токсичных отходов химических заводов, и едва ли этот вопрос -— только дело чести? и доверия Предполагая, что удастся снизить возможные опасности и что будут достигнуты необходимые технологические успехи, попробуем нарисовать общую картину запасов ядерного топлива
Чтобы все введенные в строй атомные электростанции, работающие на уране-235, могли эксплуатироваться до 2000 г , необходимо строгое нормирование запасов богатых v рановых месторождений Такое напряженное положение, несомненно, вынудит многие страны обратиться к поискам альтернативных источников ядерного топлива В этом случае очевидны две альтернативы, и обе они основаны на использовании более распространенных материалов, чем уран-235 Это уран-238 и торий-232, так как они более обильны, нежели уран-235, и могут превращаться в самопроизвольно распадающиеся атомы Когда нейтрон с соответствующей скоростью ударяется в ядро атома урана->238, он поглощается, вызывая испускание двух электронов, а сам атом превращается в плутоний-239 Сходным образом торий-232 может превратиться в уран-233 И плутоний-239, и уран-233 являются самораспадающимися и могут поддерживать цепные ядер- ные реакции Следовательно, задача состоит в том, чтобы так сбалансировать образование нейтронов из распадающихся атамов, чтобы скорость превращения урана-238 или тория-232 равнялась или превосходила скорость, с которой исчезают расщепляющиеся атомы Этот процесс называется размножение, а устройство, в котором он протекает,— реактором-размножителем (рис 4-4) Количество тепла, производимое реакциями деления урана-238 и тория-232, такое же, как при делении урана-235, однако с использованием реакторов- размножителей стоимость топлива существенно снижается По курсу 1983 г стоимость сырого урана для реактора-размножителя эквивалента стоимости угля 2 цента за тонну или стоимости нефти менее чем полцента за баррель Вероятно, некоторые разновидности горных пород и даже морская вода могли бы
использоваться в качестве источника урана, и топливо было бы все еще конкурентоспособно с углем и нефтью По этой причине очень активно велись исследования на реакторах-размножителях, и, по мнению некоторых экспертов, к 1995 г они будут действовать как коммерческие На экспериментальных, но тем не менее
Рис. 4-4. Диаграмма, показывающая различие между реакциями деления урана 235 (23&U) и превращения урана 238 (238U) в пЛутаний-239 (239Ри) и последующее деление плутания Теплота, выделяющаяся в ходе реакций, может быть превращена в электричествоРис. 4-4. Диаграмма, показывающая различие между реакциями деления урана 235 (23&U) и превращения урана 238 (238U) в пЛутаний-239 (239Ри) и последующее деление плутания Теплота, выделяющаяся в ходе реакций, может быть превращена в электричество
Рис. 4-4. Диаграмма, показывающая различие между реакциями деления урана 235 (23&U) и превращения урана 238 (238U) в пЛутаний-239 (239Ри) и последующее деление плутания Теплота, выделяющаяся в ходе реакций, может быть превращена в электричество
Рис. 4-4. Диаграмма, показывающая различие между реакциями деления урана 235 (23&U) и превращения урана 238 (238U) в пЛутаний-239 (239Ри) и последующее деление плутания Теплота, выделяющаяся в ходе реакций, может быть превращена в электричество
производящих электроэнергию установках они уже действуют (во Франции, Канаде, Великобритании и СССР) К сожалению, с использованием реакторов- размножителей возникло больше инженерных проблем и проблем безопасности, нежели на атомных электростанциях, работающих на уране-235
Большая часть работ в атомной энергетике сосредоточена на урановых реакторах, поэтому именно уран наиболее активно эксплуатируется и исследуется Этот элемент имеет два состояния валентности — U4+ и U6+, и взаимодействие этик ионов регулирует их распределение в земной коре В некоторых изверженных породах уран широко распространен в виде UO2 — минерала уранинита (иногда называемого смоляной обманкой), в котором уран находится в четырехвалентном состоянии UO2 практически нерастворим, но как только U4+ окисляется до и6+,что происходит в определенных условиях на земной поверхности, образуется комплексный уранил-ион (UQ2)2 + Этот ион может образовывать растворимые соединения Такой компонент, как уранил карбоната, способствует растворению и переносу урана в поверхностных водах Его осаж-
дение происходит, когда растворы встречаются с восстанавливающим агентом, например с органическим веществом, которое переводит уран в четырехвалентное состояние; при этом снова образуются менее растворимые соединения. Восстановленный уран может осаждаться в виде UO2 или USiO4, как это происходило в известных месторождениях плато Колорадо, где обнаружены захороненные стволы деревьев, почти нацело замещенные уранинитом, и как это происходило во многих богатых органикой сланцах во всем мире, например в развитых на площади 100 тыс. км2 сланцах Чаттануга (шт. Алабама и Кентукки) / а также в квасцовых сланцах (Швеция и Норвегия). Наконец, уран может быть захвачен другим минералом. Особенно это присуще апатиту Са5(РО4)з(ОН, F), в кристаллическую структуру которого входят атомы четырехвалентного урана. Очевидно, таким образом уран концентрировался в фосфатных месторождениях шт. Флорида.
Измеренные ресурсы урана в богатых месторождениях, к сожалению, не так велики, как можно было бы ожидать. В период с 1945 по 1960 г. урану уделялось самое пристальное внимание минералогов и геологов, когда-либо сопровождавшее изучение металлов. За этот период было открыто много богатых месторождений, что позволило продолжить поиски в надежде обнаружить месторождения еще более высокосортных руд. Высказывались даже предположения о больших и легко осваиваемых потенциальных ресурсах. Однако дальнейшие работы показали, что эти прогнозы были ошибочными. Интенсивные поиски, предпринятые в конце 60-х годов и продолжавшиеся все 70-е годы, оказались неудачными в США, но они привели к открытию ряда богатых и значительных по размерам месторождений в Австралии, Канаде и Намибии.
В США богатейшие месторождения представляют собой вторичные концентрации урана в осадочных породах, возникающие при переносе металла в подземных водах. Крупнейшие и наиболее многочисленные месторождения обнаружены в породах юрского и триасового возраста на плато Колорадо, на востоке шт. Юта, в северо-восточной части шт. Аризона и на се-
веро-западе шт. Нью-Мексико. Богатые месторождения (но уже кайнозойского возраста) установлены в шт. Вайоминг и Техас. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), запасы всех этих месторождений, а также более мелких и менее ценных рудопроявлений, обнаруженных в других штатах, составляют всего 708 тыс. т (табл. 4-1). В Канаде
Таблица 4-1. Оценки ресурсов и темпов добычи урановых руд, используемых на атомных электростанциях. Цифры даны в пересчете на изО8. Данные по ресурсам и запасам объединены
Страна
Обоснованно гарантированные ресурсы, тыс. т
Оценки темпов добычи до 1990 г. *, тыс. т
Австралия 2
1600
9
США2
894
6
ЮАР3
391
6
Канада 3
235
13
Нигер 3
160
?
Намибия 3
133
4
Франция 3
55
?
Другие страны 3 (без социалистических)
608
5
1 Оценки темпов добычи заимствованы из журнала «Mining Annual Review», 1983.
2 Данные о ресурсах заимствованы из журнала «Am. Assoc, of Petroleum Geologists», Bulletin v. 67, p. 1999—2008, 1983.
3 Данные о ресурсах заимствованы из журнала «Mining Annual Review», 1980. Большая часть ресурсов в графе «Другие страны» представлена низкосортными рудами Швеции.
запасы урана локализованы главным образом в бо- 1 гатых месторождениях района Большого Медвежьего i озера в пределах Северо-Западных территорий, а также в районе Блайнд-Ривер севернее озера Гурон (пров. Онтарио), где в рассеянном виде урановые минералы обломочного происхождения содержатся в широкоразвитых осадочных породах докембрийского возраста. Большие запасы урана в ЮАР связаны с золоторудными месторождениями Витватерсранда, где ничтожные количества урана, также обломочного происхождения, извлекаются в качестве побочного продукта при добыче золота. Запасы урана в Австралии^ представлены месторождениями различных типов, при
Б. Скиннер
этом одно из них, как считают, является богатейшим из когда-либо открывавшихся ранее.
Запасы богатых урановых руд в развивающихся странах невелики. Поскольку элемент секретности окружает стратегическое сырье типа урана, опубликованные данные представляют, вероятно, заниженные цифры. Но независимо от того, насколько точно известны эти запасы, можно вполне определенно утверждать, что они не столь велики, чтобы обеспечить атомные электростанции, работающие на уране-235, в очень далеком будущему Рассмотрим, например, что случилось бы, если бы все запасы и ресурсы, приведенные в табл. 4-1, были использованы только для извлечения урана-235. Если эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую равнялась бы 40 %, то суммарная энергия составила бы всего 8» 1020 Дж. С другой стороны, если тот же уровень эффективности был бы использован для всего урана-238 в реакторах-размножителях, то суммарная энергия возросла бы до 1 140*1020 Дж.
Для всех прочих проявлений урана трудно провести экономическую оценку, так как необходимая для этого работа еще не проведена. В США сделана общая прикидка по типам возможных источников сырья (рис. 4-5), которая показала, что если цены возрастут до 1,00 долл, за грамм, то может быть извлечено около 2-109 т урана. Эта огромная масса могла бы дать 6,6» 1025 Дж электроэнергии. Подобные же цифры получаются и для других районов Земли. Оценки запасов тория менее определенны, нежели урана. Так как в континентальной коре торий более распространен по сравнению с ураном, то и потенциальные ресурсы его, по-видимому, выше урановых. Допустив, что развитие технологии сделает реакторы-размножители безопасными и свободными от недостатков, можно прийти к выводу, что энергия ядерного распада, вероятно, будет иметь большое будущее. Однако ждет еще своего решения главная проблема, а йменно удаление отходов ядерных реакций. Большая часть отходов высокорадиоактивна и не имеет полезного практического применения. Поэтому отходы должны захороняться в приемлемых по нормам безопасности хранилищах. Выбор
Рис. 4-5. Долговременные, но низкосортные ресурсы урана находятся в фосфатных отложениях, лигнитах и черных сланцах. Более богатые месторождения, запасы которых могут быть оценены, расположены преимущественно в районе, известном под названием плато Колорадо. (По данным М. К. Hubbert, Energy Resources, Pub. 1000-D, Committee on Natural Resources, National Academy of Science — National Research Council, Washington, D. C., 1962.)
мест захоронения затрагивает ряд политически чувствительных вопросов, поскольку некоторые радиоактивные отходы сохраняют опасные свойства сотни и даже тысячи лет. Большинство ученых и инженеров, изучавших эту проблему, пришли к заключению, что можно подготовить места безопасного захоронения отходов и соорудить для хранения последних надежные контейнеры. Однако население районов, где планируется разместить эти контейнеры, может не согласиться с подобным заключением. До сих пор ни одной стране не удалось найти решения, которое было бы приемлемым для всех; поэтому продукты радиоактивных отходов пока содержатся во временных контейнерах на поверхности. Такой способ, к сожалению, является наиболее опасным, уязвимым и наименее приемлемым решением проблемы.
Энергия ядерного синтеза. Мы знаем, как использовать энергию распада, но пока не научились использовать энергию синтеза. Когда мы научимся этому, реакция синтеза откроет дорогу использованию невозобновляемых энергетических ресурсов, которые поистине астрономические.
Наибольшее количество энергии выделяется при слиянии атомов самого легкого элемента — водорода, в результате чего получается гелий. Это та самая реакция, которой обязано происхождение большей части энергии, излучаемой Солнцем. При аналогичных реакциях, включающих более тяжелые элементы, выделяется тем меньше энергии, чем больше масса элементов, хотя, с другой стороны, эти реакции легче контролировать. Например, основная реакция в водородной бомбе включает слияние атомов дейтерия (изотоп водорода; ядро атома состоит из нейтрона и протона) с образованием гелия. Каждый раз, когда осуществляется такое слияние, высвобождается 7,9-10~13 Дж энергии. Каждый кубический сантиметр морской воды содержит приблизительно 1016 атомов дейтерия, а поскольку объем океана равен 1,35-1024 см3, потенциальная энергия синтеза дейтерия в океане достигает 10,7-102/ Дж.
Синтез водорода, если он будет достигнут, позволит использовать еще большие ресурсы, так как в океане на каждый атом дейтерия приходятся 6500 атомов водорода. Если иметь в виду эти большие числа, станет понятным, почему многие эксперты считают необходимым продолжать исследования реакций синтеза. Ясно, что с освоением термоядерной энергии независимо от того, используется при этом дейтерий или водород, будет решена не только проблема топливных ресурсов.
Солнечная энергия
Солнечная энергия обладает такими свойствами, которые в сочетании не встречаются ни у одного другого источника: она — возобновляема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю ту энергию, которую мы используем се
годня и, возможно, будем использовать завтра. Конечно, мы уже используем солнечную энергию в раз- личных целях: оранжереи, солярии в домах и прозрачные стены в темных интерьерах больших зданий служат тому примером. Естественно, что в будущем во все возрастающих размерах будут использоваться и эти пассивные формы применения солнечной энергии. Однако основная проблема заключается не в пассивных тепловых системах, а скорее, в так называемых активных солнечных системах, в которых солнечное тепло аккумулируется для более позднего использования — или для приведения в действие машин, или для генерирования электричества. Здесь также изобретено множество устройств, но большинство из них либо неэффективны, либо капиталоемки. Их неэффективность связана с тем, что большинство устройств сначала нагревают воду или подобную ей жидкость, а она уже в свою очередь используется либо для обогрева жилища, либо для приведения в движение мотора или электрического генератора. Недавние разработки устройств, называемых солнечными батареями, которые преобразуют солнечную радиацию непосредственно в электроэнергию, свидетельствуют в пользу того, что когда- нибудь эффективность этого преобразования составит 30 %. Солнечные батареи уже используются в ряде случаев, но они пока дороги и не могут конкурировать с традиционными энергетическими установками. Кроме того, солнечные лучи рассеиваются земной поверхностью, поэтому для силовой станции мощностью Ю9 Вт — примерная мощность самых крупных на сегодня атомных электростанций — понадобилось бы 8 км2 поверхности, собирающей солнечный свет. Высокая стоимость станций, необходимость больших площадей и высокий процент облачных дней во многих регионах (особенно в высоких широтах), по-видимому, не позволят ряду стран использовать одну" лишь солнечную энергию. Однако в районах со сравнительно безоблачным небом солнечная энергия может эффективно использоваться в будущем.
Энергия воды. Нет необходимости непосредственно собирать солнечную энергию. Из рис. 4-1 видно, что
примерно 23 % солнечной радиации уходят на испарение воды, выпадающей затем в виде дождя и снега. В действительности Солнце действует как гигантская помпа, выкачивающая воду из моря и сбрасывающая ее на сушу, с которой она снова стекает в море. Таким образом, движение воды, вызываемое солнечной энергией, представляет собой возобновляемый ресурс
Примитивным образом сила воды использовалась за тысячи лет до XX столетия, когда началось широкомасштабное перекрытие рек для производства электроэнергии. Из всех возобновляемых энергетических ресурсов наиболее интенсивно используется сила воды. Оценка энергетических ресурсов проточных вод включает расчет количества воды в ручьях и реках и расстояний, которые она преодолевает от истоков до устьев. Используя данные Геологической службы США, Адамс в 1962 г. подсчитал, что мощность воды, стекающей с континентов, равна 2,9- 10t2 Вт (табл. 4-2).
Таблица 4-2. Мировые запасы энергии воды (Вт)
Регион
Потенциал 1 общего стока, Вт
Извлекаемый потенциал 2, Вт
Извлекаемый потенциал в перспективе, %
Азия и Европа
10,8-10й
2,2 -Ю11
4М
Африка
7,8-10“
1,3 -Ю"
4,3
Южная и Центральная Аме
5,8.10й
0,75-10"
27,2
рика
Северная Америка
3,Ь 10"
0,66.10й
75,2
Океания
1,Ь10"
0,1 1-10"
30,5
1 По данным F Z Adams, см М К Hubbert, 1969
2 По данным «The World Environment, 1972—1982» A report by the United Nations Environment Programme, 1982.
Но не все это количество может быть использовано. В течение года скорость течения резко меняется, к тому же нет возможности полностью перекрыть реку. В 1981 г в связи с «Программой охраны окружающей среды» ООН сообщила свои оценки реально извлекаемой мощности при условии наличия плотин там, где это возможно (табл 4-2). Как и в случаях с геотермальными и приливными станциями, извлекаемое коли
чество составляет лишь малую часть суммарно возможной мощности.
При рассмотрении энергии воды первостепенное значение имеют два обстоятельства. Первое — являющееся весьма неблагоприятным, даже если мировое сообщество решится на тотальное перекрытие всех крупных речных систем — это то, что плотины имеют конечный и, скорее всего, короткий срок жизни. Движущийся поток воды переносит груз тонких глинистых частиц в виде суспензии; как только поток перекрывается и скорость воды падает, этот материал отлагается. В зависимости от того, сколько осадков несет поток, резервуар может быть целиком заполнен ими за 50—200 лет. Например, большая Асуанская плотина на Ниле будет занесена к 2025 г. по крайней мере наполовину, так как Нил — очень мутная река. Энергия воды возобновляется, но устройства по выработке этой энергии — невозобновляемы в том смысле, что объем наносов, который должен быть удален из главного резервуара, столь огромен, что практические возможности проведения такой работы отсутствуют. Второе обстоятельство, напротив, благоприятно, и это можно видеть из табл. 4-2. Наибольший неосвоенный потенциал вод характерен для Южной Америки и Африки. Принимая во внимание, что ресурсы угля на этих континентах невелики, можно считать весьма удачным наличие здесь больших запасов энергии воды. С учетом этого продолжительное использование энергии воды в странах Южного полушария выглядит вполне реальным.
Энергия ветра и энергия океана. Если снова обратиться к рис. 4-1, можно увидеть, что Примерно 46 % поступающей солнечной энергии поглощаются океаном, сушей и атмосферой. Эта энергия не только вызывает ветры, волны и океанские течения^ но и нагребает моря и порождает колебания погоды. По крайней мере некоторую ее часть можно рассматривать как потенциальные ресурсы. Оценка энергии ветра в глобальном масштабе внушительна — порядка 1015 Вт, однако большая часть энергии сосредоточена в ветрах„у дующих на заоблачных высотах, и, следовательно^
недоступна для Использования на поверхности суши. Устойчивые приповерхностные ветры обладают мощностью порядка 1012 Вт, и некоторая ее часть может быть использована ветряными мельницами, или попросту ветряками. К сожалению, мощные ветряные си-
Температура воды, °C
Рис. 4-6. Обобщенное представление о вертикальном распределении температур в океане. Ученые предложили несколько устройств, использующих разность температур между теплыми поверхностными и холодными придонными водами, как средство использования некоторой части термальной энергии океана.
стемы оказывают нежелательное воздействие на окружающую среду. Они непривлекательны внешне, создают нередко много шума, а в случае аварий очень
опасны. К тому же стоимость сооружения больших ветряков на море или вдоль побережий для выработки электричества столь велика, что полученная ими энергия оказывается в несколько раз дороже энергии из других источников. Однако для перевозок по морю, для раз-влечений и различных целей в сельском хозяйстве энергия ветра сохранит свое значение и будет постоянно и широко использоваться. Многие эксперты предсказывают в будущем возрождение ветряков и других более мелких устройств.
В открытом океане солнечные лучи нагревают в первую очередь его поверхность, благодаря чему в толще воды возникает температурный градиент (рис. 4-6). Теоретически возможно, исходя из этого градиента, использовать огромный резервуар тепла океана, причем таким же способом, каким в геотермальных схемах используется горячая вода. Правда, в данном случае возникает трудность: разница температур довольно мала и даже в тропиках не превышает 20 °C Тем не менее на западном побережье Африки, вблизи Абиджана, французскими инженерами после второй мировой войны была сконструирована и построена небольшая опытная станция для использования тепловой энергии океана, которая работала короткое время. На основе этого эксперимента были разработаны и запатентованы более крупные схемы, а успешно работавшая опытная станция была перевезена на Гавайские острова. Это, однако, не убедило ни частного, ни государственного инвеститора в том, что более крупные схемы экономичнее. Если такие устройства когда-либо появятся, станет доступным еще один астрономически большой источник энергии. Однако, насколько велик этот источник, оценить трудно, так как ресурс будет зависеть от эффективности генерирующих станций. Если эффективность составит менее 1 %, то и в этом случае потенциал термальной энергии океана превысит потенциал всех горючих ископаемых. При такой ситуации, по-видимому, нет необходимости в производстве электроэнергии. Учеными уже предложен и испытан ряд других схем: одна из них предусматривает сохранение пищи, такой, как мука Ни зерно, при температурах замерзания, типичных
для океанического дна; согласно другому проекту, предполагается перекачивание холодной океанской воды для использования в тропических условиях систем кондиционирования. Такое применение могло бы по крайней мере облегчить напряженное положение с горючими ископаемыми.
Другим проявлением тепловой энергии в океане являются мощные поверхностные течения. Например, механическая мощность течения Гольфстрим равна 2,2-1014 Вт, или 7-Ю21 Дж/год. Однако ответ на вопрос, как использовать столь огромный возобновляемый ресурс, лежит в области умозрительных построений. Предлагалось, например, в огромной трубе установить гигантскую турбину, трубу заякорить на дне так, чтобы через нее проходила часть Гольфстрима; турбина, как считают, сможет вращаться и генерировать электричество. Сколь бы сомнительным ни выглядел . этот проект, были сделаны проверки его инженерной выполнимости и готовится эксперимент, чтобы проверить эту идею.
Еще одним порождением солнечной энергии являются волны. Их возникновение связано с ветрами, дующими над океанами, при этом энергия волн во много тысяч раз больше энергии приливов. Например, одна волна высотой 1,8 м, приводящая в движение 9-м слой воды, производит приблизительно 104 Вт с каждого метра волнового фронта. Какое громадное количество энергии тратится ежедневно на побережьях всех континентов! Многие годы сила волн использовалась лишь в области морской навигации, и только в последнее время была рассмотрена возможность ее применения для широкомасштабного производства энергии. Перспективы здесь не слишком обнадеживающие. Одна из запатентованных схем предполагает использование желобов, покрытых гибкой пленкой и заполненных гидравлическим флюидом. Если такие желоба поместить на морское дно, то под тяжестью проходящих волн подвижный флюид выдавливается через сеть трубок в мотор, который, вращаясь, приводит в действие генератор. Другой проект включает серию плавающих плотов, соединенных шарнирами. При прохождении волн плоты качаются вверх-вниз,
и движение качания может быть использовано для приведения в действие механических устройств различного типа.
Биологические источники энергии. Растительный материал можно сжигать как топливо или перерабатывать в спирт, метан и другие горючие химические продукты. Так как растения зависят от солнечного света, обеспечивающего фотосинтез, биомасса является еще одним выражением энергии Солнца. Оценки сухой массы растительного вещества, произрастающего на суше, заметно различаются, но в среднем составляют 2-Ю12 т. Годовой прирост, также выраженный в сухой массе вещества, оценивается примерно в 0,15-1012 т. Если весь годовой прирост сжечь в качестве топлива, то можно было бы получить в восемь или десять раз больше энергии, чем то количество, которое мы сейчас потребляем. Конечно, это невозможно сделать, поскольку мы остались бы практически без леса и пищи, а истощение почвы было бы катастрофическим. Искусственные посадки растений на топливо, несомненно, увеличили бы количество биомассы, которую можно было бы использовать как горючее. В ряде районов земного шара уже ведутся эксперименты по освоению этого очевидного источника энергии. Результаты более обнадеживающи для таких тропических регионов, как Бразилия, и менёе для стран, где выращивается большая часть полезных культур. Но даже в умеренных широтах сельскохозяйственные и промышленные отходы могли бы быть использованы как горючее, если были бы введены в строй энергетические станции соответствующего типа.
Было бы неверным слишком скептически относиться к использованию ресурсов солнечной энергии. Если сегодня возможности ее использования кажутся ограниченными, то технологии будущего могут существенно изменить всю картину. Если какая-либо область исследований обладает притягательностью для людей с изобретательским гением, то это — исследования солнечной энергии.
Будущее
l^fak, не существует ни энергетического кризиса, ни дефицита энергии, а есть громадные ресурсы, которые значительно превышают количества, используемые в настоящее время. Кризис, связанный с нехваткой топлива, порожден нами же: мы слишком полагались на два недостаточно широко распространенных вида недорогих горючих ископаемых и в результате столкнулись с нефтяным кризисом. Как показано^ в тл. 3 и 4,Меть мнрго альтернатив нефти и газу, большинство которых дают положительный эффект благодаря обилию этих ресурсов. Но каждая альтернатива имеет и отрицательные стороны. Добыча угля, горючих сланцев и битуминозных песков вызывает серьезное нарушение земной поверхности, а сжигание этих горючих приводит к накоплению двуокиси углерода в атмосфере. Ядерная энергия — самый перспективный энергетический источник — также порождает проблемы, для решения которых потребуются титанические усилия. Какотмечалось выше, отходы атомных электростанций сохраняют смертельную радиоактивность на протяжении нескольких тысяч лет. Сможем ли мы разместить эти отходы таким образом, чтобы люди не опасались за свою жизнь многие тысячи лет. Мы долж- нысохранить смену поколений в будущем хотя бы на столько, на сколько эпоха Древнего Рима отстоит от нашего времени. Но существует и другая неизбежная проблема, касающаяся реакторов-размножителей: они будут производить все больше и больше веществ, способных к радиоактивному делению, которые можно использовать в ядерных вооружениях. Эксплуатация реакторов-размножителей неизбежно приведет к увеличению ядерного оружия, а следовательно, возрастет вероятность ядерной войны.
Перед нами встанет еще одна проблема — при использовании любого вида топлива — если энергетические станции будут наращивать свои мощности. Что делать с отходами тепла, которые будут генерироваться? Сейчас большинство станций выбрасывает отходы тепла в атмосферу, оказывая таким образом влияние на местный климат, или же использует воду
для охлаждения, которая затем возвращается в ручьи и озера, повышая температуру местных водотоков. С увеличением мощности станций возникнет проблема тепловых отходов, для решения которой потребуются поиски новых форм использования этого тепла. Все прочие проблемы связаны с денежными средствами, необходимыми для финансирования огромных энергетических станций, и с угрозой забастовок в случае каких-либо конфликтов между администрацией станции и многочисленным их персоналом.
Переход от одних энергетических источников к другим неизбежно приведет к изменению образа жизни. Горючие ископаемые представляют собой химические соединения, которые легко транспортируются и используются в небольших количествах. Альтернативные источники энергии в некоторых случаях могут быть преобразованы в удобное для транспортировки горючее, такое, например, как водород, однако это превращение неэффективно и дорого. Следовательно, неизбежно изменятся и существующие системы транспорта.
^К'акпойдет развитие истории — один из интригующих вопросов будущего. Лишь два обстоятельства этого будущего кажутся сейчас более или менее определенными. Потребности в энергии будут неуклонно расти, по крайней мере в ближайшем будущем, и энергетические источники будут постепенно сменять друг друга. Вхсоответствии с этим будут меняться и машины, использующие энергию, что в свою очередь потребует новых металлов для постройки машин. Поэтому в следующем разделе мы обратимся к металлическим минеральным ресурсам.
Глава 5
Распространенные металлы
Многие годы я нахожусь под сильным впечатлением устойчивого истощения наших месторождений железных руд Маловероятно, что считавшиеся когда-то обильными источники богатых руд могут пережить новое поколение людей, более вероятно, что к концу столетия мы оставим после себя только бледные руды Мое мнение — мнение человека, привыкшего иметь дело с реальными фактами,— заключается в том, что пришло время основательно подумать о будущем. (Andrew Carnegie, Proceedings of a Conference of Governors in the White House, Washington, D C, May 13—15, 1908 )
Металлы обладают такими важными свойствами, как ковкость, пластичность, высокая тепло- и электропроводность. Металлы являются необходимым компонентом в технике, без них не могло бы развиваться наше общество дальше. По умению выплавлять и обрабатывать металлы мы определяем уровень развития древних обществ; многим хорошо известны термины «бронзовый век» и «железный век».
По распространенности в континентальной коре металлы можно подразделить на два класса: редкие металлы, с распространенностью ниже 0,1 %, и распространенные^ как, например, железо, алюминий, марганец, магний и титан,— с распространенностью выше 0,Д %.
Практически любая горная порода содержит определенные количества каждого из распространенных металлов; все они обычно присутствуют в минералах, богатых по содержанию одного из этих металлов. Можно ли считать данную группу пород ресурсом по тому илиеиному металлу, определяется химическими свойствами конкретных минералов. Первый ключевой вопрос, возникающий в этой связи, состоит в том, насколько просто данный минерал отделяется от других, сопутствующих ему в горной породе? Обогащение ценного минерала осуществляется разными способами. Второй ключевой вопрос заключается в том, насколько
просто отделенный от других полезный минерал может быть разложен для извлечения из него полезного металла? Эта задача также решается разными способами, из которых наиболее распространенным является плавка. Таким образом, извлечение металла из породы состоит из трех стадий: добычи, обогащения и плавки. Распространенные металлы обычно образуют химические соединения с кремнием и кислородом — наиболее распространенными в земной коре химическими элементами; такими соединениями являются, например, альбит NaAlSisOe, анортит CaAl2Si2Os и гранат Mg3A12Si40i2. Несмотря на отсутствие каких-либо сложностей при добыче и обогащении этих минералов, извлечение из них металлов ныне не производится, поскольку их плавка связана с большими расходами энергии. Более предпочтительны в этом смысле другие минералы. К ним относятся оксиды и гидр'оксиды, такие, как магнетит РезОь гематит Ре20з, гиббсит H3AIO3, а также карбонаты — сидерит Ре2СО3 и магнезит MgCO3. К сожалению, все эти минералы встречаются значительно реже, чем силикаты, и поэтому легко извлекаемая доля любого металла ничтожно мала по сравнению с общим его содержанием в земной коре. Таково и мнение Эндрю Карнеги, послужившее эпиграфом к этой главе.
Потребление распространенных металлов
Распространенные металлы имеют настолько высокие средние содержания в земной коре, что даже сравнительно небольшое их превышение приводит к образованию вполне приемлемых руд. Конечно, при оценке очень важно, насколько месторождение богато, но если подходящего минерала не обнаружено, этот фактор перестает быть решающим при решении вопроса о целесообразности разработки месторождения В этом заключается главное различие между распространенными и редкими металлами (см. гл. 6). Время показало, что опасения Эндрю Карнеги оказались напрасными. Несомненно, предпочтительны богатые руды, однако и бедные руды могут быть обогащены до очень высокого уровня.
Распространенные металлы получили свое название по трем причинам: высокой распространенности в земной коре, широкому потреблению и темпу, с которым это потребление растет (рис. 5-1). Потребление осо-
Мировое производство Производство в США —Потребление в США
Рис. 5-1. Производство железа и алюминия в США и в мире. Количество железа представлено железной рудой, поскольку руда перерабатывается в различные конечные продукты — сталь, чугун и различные сплавы. Количество металлического железа, получаемого из руды, составляет по массе 50 % и больше. США (с населением 6 % от мирового уровня) потребляют значительно больше этих металлов, чем производят; такая модель справедлива для многих других минеральных ресурсов США. Вместе с тем возрастающее различие между потреблением в США и мировым производством отражает повышение уровня жизни на Земле в целом. Отметим драматическое влияние экономического спада в конце семидесятых — начале восьмидесятых годов на мировое производство и потребление металлов. (По данным Горного бюро США.)
бенно высоко для железа, производство которого значительно опережает производство всех других металлов, вместе взятых. Из-за высокого производства и достаточно полного удовлетворения потребностей в распространенных металлах цены на них сравнительно низкие. Например, в 1981 г. цена на чугун — наиболее
дорогой среди всех «железных» продуктов — была примерно 13 центов за килограмм, алюминия — 135 центов, магния — 275 центов. Для сравнения приведем цены за килограмм таких редких металлов, как олово, вольфрам и родий, которые в том же году составляли соответственно 1612, 3300 и 2 253 000 центов.
Несмотря на легкую доступность руд распространенных металлов, переработка их требует высокоразвитой технологии и значительных затрат энергии. Неудивительно поэтому, что большая часть распространенных металлов производится и потребляется в промышленно развитых странах, хотя руды или концентраты покупаются обычно в развивающихся странах.
Железо
Железо — второй металл по распространенности в земной коре — является одним из «трех китов», поддерживающих цивилизацию; доля его потребления среди других металлов составляет 95 %. Значительная часть таких металлов, как никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, кобальт и марганец, добавляется к железу в качестве так называемых легирующих добавок для получения высокосортных сталей.
Выплавка железа из окисных руд представляет собой довольно простой химический процесс, называемый восстановлением. Восстанавливающий агент, такой, как углерод (обычно в форме кокса, производимого отгонкой газовой фазы из коксующихся углей), взаимодействует с оксидом железа при высокой температуре с образованием металлического железа и двуокиси углерода. Поскольку железные руды редко бывают абсолютно чистыми, необходимо добавлять флюс, в качестве которого обычно выступает известняк, нацело состоящий из кальцита — СаСОз. Флюс используется для перевода имеющихся примесей в шлак. Выбор наиболее подходящих для такого процесса руд и получение достаточно высоких температур являются главными технологическими проблемами, решение которых находит свое отражение в длительной истории развития сталеплавильного произ-
водства. На протяжении более чем 2000 лет, вплоть до начала четырнадцатого столетия, все железо выплавлялось в примитивных кузницах при сжигании древесного угля, в пламени которого находились железная руда и известняк, обдуваемые потоком воздуха. Эти кузницы, остатки которых до сих пор можно найти в различных районах Африки и форму которых использовали в Китае в конце 1960-х годов (в связи с попыткой расширить производство железа за счет большого количества «дворовых» печей), были довольно малы: они позволяли восстанавливать железо из оксидов, но расплавить его было уже невозможно. В результате такой обработки получалась вязкая масса железных окатышей, из которых шлак и примеси выводились в процессе ковки, в результате которой появлялось губчатое железо.
С увеличением потребностей в железе кузницы становились все больше, и для их работы требовался уже более мощный поток воздуха. В печи достигались все более высокие температуры, в связи с чем железо производилось уже в расплавленном виде. Такие печи стали предшественниками современных домн (рис. 5-2). К началу четырнадцатого столетия в большом количестве производился чугун; так закладывались основы современной металлургии. Еще один важный шаг был сделан, когда стало ясно, как из чугуна получать сталь. Сталь — это сплав, в котором главную роль играет железо. Наиболее ранней и до сих пор используемой сталью является сплав железа с небольшим количеством углерода. Эта небольшая добавка придает сплаву высокую прочность, упругость и термостойкость, что делает его более ценным, чем простое железо. Стали более поаднего времени, предназначенные для различных целей, представляют собой сплавы железа с такими металлами, как ванадий, вольфрам и молибден. Для повышения качества сталей большую роль сыграли применяемые ныне новые методы, открывшие дорогу для производства больших количеств высококачественных сталей из чугуна, такие, как эффективный поддув воздушной смеси, использование кокса, заменившего древесный уголь, различные методы обогащения руд и очистки их от вредных примесей (фос-
Скиповая вагонеткаСкиповая вагонеткаВоздушная заслонкаВоздушная заслонкаГорячие газыГорячие газыСтальной корпусСтальной корпусГорячий воздухГорячий воздухЛётка для шлаковЛётка для шлаковЛётка для металлаЛётка для металлаОгнеупорный кирпичОгнеупорный кирпичКокс Железная Смесь руда ИзвестнякКокс Железная Смесь руда ИзвестнякРис. 5-2. Разрез доменной печи. Для производства 1 т чугуна из руды, содержащей 60 % железа, требуется приблизительно 250 кг известняка в качестве флюса и 1 т коксующегося угля. В электрических и кислородных печах используются различные смеси, в которые для большей эффективности добавляется кокс, однако составные части смеси остаются одними и теми же. Производство железа показывает, насколько взаимосвязано использование различных металлов.Рис. 5-2. Разрез доменной печи. Для производства 1 т чугуна из руды, содержащей 60 % железа, требуется приблизительно 250 кг известняка в качестве флюса и 1 т коксующегося угля. В электрических и кислородных печах используются различные смеси, в которые для большей эффективности добавляется кокс, однако составные части смеси остаются одними и теми же. Производство железа показывает, насколько взаимосвязано использование различных металлов.
Скиповая вагонетка
Скиповая вагонетка
Воздушная заслонка
Воздушная заслонка
Горячие газы
Горячие газы
Стальной корпус
Стальной корпус
Горячий воздух
Горячий воздух
Лётка для шлаков
Лётка для шлаков
Лётка для металла
Лётка для металла
Огнеупорный кирпич
Огнеупорный кирпич
Кокс Железная Смесь руда Известняк
Кокс Железная Смесь руда Известняк
Рис. 5-2. Разрез доменной печи. Для производства 1 т чугуна из руды, содержащей 60 % железа, требуется приблизительно 250 кг известняка в качестве флюса и 1 т коксующегося угля. В электрических и кислородных печах используются различные смеси, в которые для большей эффективности добавляется кокс, однако составные части смеси остаются одними и теми же. Производство железа показывает, насколько взаимосвязано использование различных металлов.
Рис. 5-2. Разрез доменной печи. Для производства 1 т чугуна из руды, содержащей 60 % железа, требуется приблизительно 250 кг известняка в качестве флюса и 1 т коксующегося угля. В электрических и кислородных печах используются различные смеси, в которые для большей эффективности добавляется кокс, однако составные части смеси остаются одними и теми же. Производство железа показывает, насколько взаимосвязано использование различных металлов.
фора и серы). Много интересных изобретений было сделано в XIX в.; они составили основу фундамента современной технологии, позволяющей с успехом использовать все виды железных руд, что в свою очередь гарантирует поистине неисчерпаемость их запасов. Эти успехи дают красноречивый ответ на опасения Эндрю Карнеги относительно удовлетворения потребностей общества в железе, но вместе с тем они выдвигают на передний план такие факторы, как стоимость транспортировки и доступность рынков, которые теперь регулируют производство железа.
Поскольку производство стали (и соответственно чугуна, необходимого для ее получения) велико, велико и количество дополнительных материалов, необходимых для сталеплавильного производства. Исторически сложилось так, что наиболее выгодными становились те руды, стоимость транспортировки которых была минимальной. Лидерство Великобритании в производстве стали в прошлом веке было связано с близостью (и, следовательно, с низкими ценами за доставку) высококачественных коксующихся углей и богатых железных руд. С открытием в 1855 г. в Северной Америке канала Св. Марии — отличного водного пути по Великим озерам — стали доступны громадные запасы железных руд Мезаби-Рейндж (шт. Миннесота) и коксующихся углей в штате Пенсильвания. В результате этого Питтсбург стал центром сталелитейной индустрии и США заняли первое место в мире по производству железа и стали.
Фактор транспорта до сих пор остается чрезвычайно важным, однако существующая в мире огромная транспортная система позволяет практически любой стране иметь сталелитейную промышленность. Теперь уже нет необходимости строить сталелитейные заводы максимально близко к источникам топлива или железных руд. Действительно, большая часть топлива и руд доставляется к месту выплавки дешевым морским путем из самых дальних уголков земного шара, чтобы удовлетворить потребности таких гигантских продуцентов стали, как США и Япония, национальные ресурсы которых недостаточны (рис. 5-3). Но, скажем, развивающиеся страны в таком пути
не нуждаются в отличие от Японии, которая практически лишена запасов железа. Из рис. 5-4 видно, насколько эффективной стала транспортная система планеты. Только три страны из числа главных потребителей и производителей чугуна полностью обеспечены собственными ресурсами железных руд.
Рис. 5-3. Источники железных руд, используемых в производстве железа и стали в США. В процентах даны средние значения за период 1978—1982 гг. (По данным Горного бюро США.)
Ресурсы железа. Железо входит в состав четырех главных рудных минералов (табл. А-2). Концентрации железа строго определяются возможностью его существования в двух состояниях окисления. На поверхности земли, т. е. в кислородной обстановке, стабильно только трехвалентное железо, которое входит в состав таких минералов, как гематит и гётит. На глубине в бескислородных условиях стабильны двухвалентное железо, которое входит в состав сидерита, и смешанный (с двух- и трехвалентным железом) минерал магнетит.
Выделяются три основных типа железорудных мес-
торождений: 1) ассоциирующиеся с изверженными породами; 2) месторождения кор выветривания; 3) осадочные месторождения.
При кристаллизации магмы, внедрившейся в «холодную» зону земной коры, формирование месторождений происходит несколькими путями. Магма представляет собой сложную жидкость, содержащую большое количество компонентов; она кристаллизуется не при строго фиксированной температуре, как это происходит с простыми жидкостями, а в интервале
ссср
106,3
СССР
' 133,1
Япония
80,0
У Бразилия
65,0
США
66,9
/ Австралия
54,6
Китай
34,0
/^-США
47,3
ФРГ
31,9
/Китай
35,1
Франция
17,0.
/- Канада
31,9'
Венгрия
12,3 \7
Индия
25,7
Польша
11,0
ЮАР
18,1
Бразилия
10,9/ V
XШвеция
15,1
Канада
9,9/
XЛиберия
12,2
Чехословакия
9,9
X. Венесуэла
9,6
Бельгия
9,8
X Франция
6,8
37 других стран
100,9
42 другие страны
45,0
500 8
499,5
Выплавка чугуна.
Содержание металла в добытой руде, млн. т
Рис. 5-4. Сравнение главных продуцентов чугуна и главных поставщиков железной руды в 1981 г. За исключением СССР, Бразилии и Канады, ни один из продуцентов не обеспечен собственной рудой.
температур, т. е. минералы кристаллизуются один за другим, пока вся масса не превратится в твердую кристаллическую породу, состоящую иа нескольких минералов. Если минералы, образующиеся первыми, имеют более высокую плотность, чем расплав, они начинают тонуть в нем и скапливаются в основании магматического очага, образуя магматические сегрегации, или, как их чаще называют, шлиры. Среди этих
Распространенные металлы 119 наиболее ранних минералов часто встречаются рудные минералы. Таким образом могут формироваться месторождения, примером которых является Бушвелд- ский комплекс в Южной Африке. Он представляет собой эффектно расслоенную интрузию, включающую двухметровый слой почти чистого магнетита. Важно отметить, что среди примесей в этом слое содержится около 1 % ванадия, который является прекрасной легирующей добавкой в некоторых сталях.
Раннце магматические минералы обычно безводны и не содержат летучих элементов, таких, как фтор и хлор. В процессе кристаллизации остаточный расплав обогащается летучими компонентами и даже насыщается ими; с определенного момента они начинают покидать магматический очаг, проникая в окружающие породы и изменяя их. Так вокруг магматического очага формируются ореолы контактового метаморфизма. Проникая дальше, потоки летучих компонентов, содержащие обычно большие количества воды и называемые гидротермальными флюидами, следуют по трещинам, постепенно охлаждаются и осаждают растворенное в них вещество с образованием гидротермальных месторождений. .
Железорудные месторожде^я, связанные с магматизмом, могут быть двух типов. Первые представляют собой контактово-метаморфические месторождения; рудные тела в них имеют в основном небольшие размеры, но чрезвычайно богаты и состоят из гематита или магнетита. Только немногие йз месторождений достаточно крупные для рентабельной разработки; среди них можно отметить отработанное ныне месторождение Корнуолл [шт. Пенсильвания), все еще эксплуатируемое ^месторождение Айрон-Спрингс (шт. Юта) и гора Магнитная на Урале (СССР). Ввиду сравнительно небольших размеров месторождений, связанных с магматическими горными породами, не приходится особенно рассчитывать на открытие более крупных месторождений такого типа; в будущем они, вероятно, будут играть незначительную роль в земных ресурсах железа. Месторождения второго типа имеют гидротермальное происхождение. Когда на дне океана происходит вулканическое извержение, вода, окру-
жающая потоки лав, проникает в них, нагревается и выщелачивает железистую составляющую. Вырываясь из лавы наружу, разогретые растворы образуют горячие источники, вокруг которых на дне осаждаются оксиды железа и кремнезем. Такие подводные месторождения, связанные с вулканической деятельностью, известны под названием железорудных месторождений типа Алгома. Эти месторождения, очевидно, формировались на Земле примерно 3,5 млрд, лет назад и формируются в наши дни. Ряд железорудных месторождений подобного типа, особенно в Канаде, исключительно богаты и достаточно крупные для разработки, однако большинство их настолько убоги по содержанию железа или настолько невелики, что они не имеют промышленного значения.
Месторождения кор выветривания формируются в тех местах, где активно проявляется выветривание и где все двухвалентное железо, содержащееся в породе, окисляется до нерастворимого трехвалентного железа. Этот процесс сопровождается изменением обычного цвета горных пород до бурого, ж/лтого, черного или красного цвета, причем нередко породы становятся рыхлыми, похожими на почву. Если в процессе выветривания из пород выносится большая часть растворимых компонентов, то концентрация остающегося на месте железа соответственно растет. Этот процесс известен для всех геологических эпох — начиная с докембрия и до наших дней; именно он ответствен за формирование большого числа подобных месторождений. Обычно руды месторождений кор выветривания называют бурым железняком по цвету их основного минерала — гётита. Отдельные богатые месторождения кор выветривания, как правило, невелики: запасы их исчисляются в несколько десятков тысяч тонн; они малопригодны для разработки современными горнорудными методами и не в состоянии дать необходимого для развития индустрии количества руды. Поэтому добыча богатых бурых руд заметно сократилась и будет сокращаться в будущем. Однако при анализе потенциальных ресурсов отдаленного будущего эти месторождения могут иметь большое значение. В тропиках, например, где обильные дожди непрерывно
вымывают из горных пород наиболее растворимые соединения, образовались особенные почвы — латериты с содержанием железа до 30 % и более. В настоящее время такие руды не используются в металлургии, но со временем они, несомненно, будут вовлечены в переработку. К сожалению, на этих почвах-латеритах развивается тропическое сельское хозяйство, и активная их разработка породит большое количество проблем, связанных с охраной окружающей среды.
Осадочные железорудные месторождения составляют основу современного производства железа, на них же приходится главная часть соответствующих запасов и потенциальных ресурсов. Несмотря на более чем вековую историю изучения, некоторые особенности образования этих месторождений остаются загадкой. В природе неизвестны современные процессы, которые могли бы служить аналогом процессов, протекавших когда-то в геологическом прошлом Земли; поэтому образование древних месторождений должно выводиться из большого числа различных косвенных показателей. А сам факт отсутствия современных аналогов осадочного накопления железных руд доказывает ранее упоминавшееся заключение, что минеральные ресурсы не дают «второго урожая».
Осадочные железные руды являются химически осажденными образованиями, а это значит, что их составляющие (рудные компоненты) были привнесены в растворенном виде и осаждены в форме нерастворимого продукта природной химической реакции. Этот факт представляет собой плохо разрешимую дилемму. Главными минералами осадочных руд являются гематит и гётит, причем оба практически нерастворимы в водах озер, рек и морей, поскольку содержат трехвалентное железо. Но, как мы уже видели, на земной поверхности в процессе выветривания все двухвалентное железо переходит в трехвалентное. Поэтому возникает вопрос: как железо мсгло быть перенесено с континентов в океан в раствора? Единственный путь для перехода железа из горной породы в раствор,— это сохранение его на поверхности в более растворимой двухвалентной форме, что в настоящее время невозможно из-за присутствия в атмосфере большого
количества кислорода, либо изменение ныне нейтральных или слабощелочных поверхностных вод до кислых, в которых трехвалентное железо растворяется несколько лучше. В течение последних 570 млн. лет, которые представляют собой время от кембрия до наших дней и называются фанерозоем, отмечалось несколько периодов, в течение которых, как полагают, двухвалентное железо переносилось грунтовыми водами в растворенном виде. Поскольку перенос происходил под поверхностью, растворы были защищены от воздействия атмосферного кислорода. Когда же эти воды изливались на поверхность, железо немедленно окислялось и осаждалось в форме гетита. Фанерозойские месторождения, вероятно, формировались в ограниченных бассейнах — озерах или прибрежных лагунах — размером от менее чем 1 км до примерно 100 км; это формирование явно протекало в особых локальных условиях. Специфичность условий, как можно предполагать, заключалась, во-первых, в теплом и влажном климате, вызвавшем на поверхности суши развитие мощного покрова растений с глубоко проникающими корнями, и, во-вторых, в том, что почвы и горные породы были пропитаны грунтовыми водами, обогащенными как двуокисью углерода — продуктом жизнедеятельности корневой системы растений, так и органическими кислотами — продуктом распада и гниения растительных остатков. В тех местах, где областью разгрузки подобных вод был океан, железо быстро рассеивалось, но в особых случаях, когда область разгрузки представляла собой небольшой мелководный бассейн, происходило осаждение и накопление железа в виде химического осадка. Поскольку поверхностные воды также текут в океаны и ограниченные локальные бассейны, эти осадки» а следовательно, и железорудные месторождения всегда содержат большое количество других минералов и органических остатков, привнесенных вместе с железом.
Железные руды фанерозойского возраста, иногда называемые рудами типа Минетты, имеют исключительно важное значение и слагают некоторые месторождения Великобритании, Франции, ФРГ и Бельгии. Аналогичные руды — или руды типа Клинтон — уже давно добываются в Северной Америке от Ньюфаунд-
ленда до Бирмингема (шт. Алабама). Значение этого типа месторождений постепенно снижается, поскольку большая часть североамериканских рудников уже закрыта, а европейские запасы руд быстро истощаются. Руды, которые сформировались до фанерозоя, представляют собой наиболее замечательный тип месторождений на Земле и получили название полосчатые железистые кварциты типа Лейк-Сьюпириор.
Период в истории Земли, когда образовались огромные количества богатых железом осадочных пород — месторождения типа Лейк-Сьюпириор,— начался приблизительно 2,6 млрд, лет назад и закончился 1,8 млрд, лет назад. Название месторождений типа Лейк-Сьюпириор возникло по местности в Северной Америке, где подобные руды были впервые изучены. Однако богатые железом древние отложения вскоре были найдены и на других континентах. На первый взгляд месторождения типа Лейк-Сьюпириор напоминают месторождения типа Алгома, поскольку их руды состоят из кремнезема и оксидов железа. Более внимательное изучение приводит к заключению, что руды типа Лейк-Сьюпириор образовались в морских бассейнах и, по-видимому, мало связаны с процессами подводной вулканической деятельности. Для объяснения процессов формирования таких месторождений необходимо допустить существование длительного периода эрозии континентов, за которым последовал период затопления мелководным морем. Широкомасштабная эрозия, предшествовавшая затоплению, оставляла мало обломочного материала, который мог бы переноситься в воде в виде взвесей; поэтому медленно накапливающиеся химические осадки имели более важное значение в новообразованных морских бассейнах. Одной из удивительных черт руд типа Лейк-Сьюпириор является ’весьма низкое содержание обломочного материала. Предполагается (хотя прямых доказательств у нас нет), что на ранних стадиях истории Земли атмосфера имела иной состав Возможно, свободного кислорода было значительно меньше, а двуокиси углерода — в 10—100 раз больше, чем сейчас. При таких условиях поверхностные воды должны были бы характеризоваться меньшей окисляющей способ-
-еиэн iteeeh xair ot этЯ 'июеэкэж энниатпЕхоро ‘иное энняееяо!? вэхснэми xiqdoiOM а ‘яохиТ^еяя хшэие -Э1ГЭЖ ВИНЭ^ИОЯЭ OHHVEHIodj иороэ XOIBIfaEXatTadu эих -Adv аихони и (dDDD ^HHEdn^) JOj HoaHd){ ‘(BHifEdxa -ay) HindawEx ‘(BHifHEudg) aHEda^-aEHHw ‘(вееЛэ -энэд) daanEog-oddap винаХГжойохааы ‘(аяидэму вин ^эаээ) apHJodu woHadoVadpa£f а и doHdHUoiq9-HH3£f anonad a BHHaWodoxaaw Э1ан!Г^О€Э1ГЭЖ aHHaHndpHianotf эннатеяин^ (z*9 ’and) arnq^op эжаТГ eVjohh а ‘aeaE -эж % дд oV lижdэтroэ iraHdaxaw эхээы ан ваииТпогехэо ‘.EiEHopdEH и едоэеэни^я июеаЕаж a BaxHTnoiXdHH^ -оээе эонпа xaVoxanodu ‘BHHaandxaaiqa аохнэха сяиахэ -иэ^Еоа BDioiEddaatrou и qxaoHxdaaou eh iBVoxiqa iqtfXd atrx ‘хахаэм а ояан^о еккехэм винаьэ1гаеи охоннуено -HTiad Birtr ияеин мояши^з винEжdaVoэ аияах охь ‘qaoEEx -иьэ OHHOHTiHtfEdx 1Ееэ1гаж % о^—91 xaжdaIroэ dondnu -О1аэ-яиа[]* аних iqxnndaan энхэиеэ1Гэж энхенэогоц
'хэп* -Vdirw g‘i
О1ГОЯО adaw HdHHEdn он qaHEBdoxaou ан ‘вин -Eaodии[doф хи Bwade оя эишаЕаоахээТпЛэ ‘виаоюЛ охь ‘ахихэыхо эжяех оми^охроан (9_9 *3nd) ExaEdeoa эж ojox onqiraxHEHirpadu HWEVodoH э ииТтеиНоэзе а Adam Хмоныэе Хмээа он BaxoiEhadxaa BHHEaoEEdpo ихе яея яех ‘иынньнроэн нхехиьэ xaXVaifo эн хи ‘аохиП ^аая хнхэиеэ1гэж xiqxEhDOirou эинEaodии[doф эишанаЕна ‘виао1гаХ иичар ин iqp паояЕ^ хэп* *нта 0Z9 nxaEdeoa эныэенояэи ыэь ‘9mqHEd хэ1г ’нгты 0002 вн чэиуиавон эпохой ‘хниэепояэи ыен хннхээаЕИ xnnaddtr ээп*ор -ИЕН ЕИ ИЫИН1ГО ВЭХО1В1ГаВ ‘EdHHI XEXHTldEaH хнхэиеэп*эж хихоны оа эжХ ЭНННЭ1ГаОНЕХЭХ ОН ‘ХНИ1ГфНЕД ИИТГЕИ^Оф xEirodou а энннеэино oiqadoua ‘BHHOxoad эияээьинояэос! -яиу^ oTiHEira woxoHHwodH мояех a BaxoiBHEdxoa еХГхони ‘HHO^oda oxox XBdow хнн!Гоаоя1гэи[ а хишаахиро ‘иин -oxDEd xHHDOhHHOHaodxHM xiqHaHXHHiHdH ияхехэо эныэен -ОЯЭЦ -EWOEOHWOdH ОХОН1ГИО1Г1ГОЯ HH'nEEHIflfEXaHdxodOH oxExqirXaod я BaoiXmaEaoEEdpo ‘Xtrodou oiXeoTidEan oiXxo -HHdoEOHHOx OHHEhiqasodh — Пэнею инхэини^я иор -оэ xoiBireExaVodH noiraodu ыоыэеэныэЙя энннэТпЕхоро (у‘д-д -and) nwninhdng^i п^тэпеэтгэж nwiqivhoorou ХО1ЕЯНЕЕН OHhiqpO laVodOH ЭИЯЕХ ОХЬ ‘ЕЯИЕХЭЬХО ОЯЯЕОХЭ -eh EdXxanax вехеьэокоц ыы [ ээнэы ontodan aaoira -odu ахэонтпоы iwoiAiaEaHiAiadH ишаннэТпЕхоро ‘иывоеэ
-odu э ‘мова^аж хнннатвходо ‘aaoiroodu auuBeotradah BaaatnoiBdoxaou oHiedMOJOHw иодоэ xoiBireBxotradu иин -эlIrжodo±ээw HtrX^ •douduuo^^uau’ виих итнэ1Гжод -охээм э вЕннвавеэ ‘awairgodu BBHoadaxuu вЕннэахэни^э эн — имвНое UMiqHxaoHxdaaou ВЕЭ1/*аж oouadajj
(аэиэрд jo ^иашаэивлру aqj joj oossy ивэиэшу aqj Xq 5961 jq3ijXdo3 Zfl л ‘ээиэр§ ‘Jd|Xj рив ujooqSjfeg g Бинэт -adeud 9) ced 0006 8 онаьикэаХ t (bVbhb)! ‘ondBXHQ aodu) тшгфнвj иипbnХоф ион'п'ХХоеэи’эж ей (x9ir -яХтю 2 oHqirgxHEHirpHdn xoadeoa) винэхэвХ охомээьицомэоХмим олонаихимиХи хнэшвХф — 9 ibHHdd -внэи ихэоХомэ винэнэмеи woiBiquAead вэхэыгав эинваивгэ^эи охь ‘xoiBJBirou эж aHjAdV ‘HlfoHdan эинхэ1Г a aowEHHBjdoodMHw хинаихим -Hdu Mioxood MHHEBdgooaiqdEa э онвеваэ оно ‘HaifaxpaoirairooH хинНо (МИНЭНМ ОЦ ОНЭВЭН VXd aHHOtf^KOXOHOdlj (эонмэх) HMBOIfDOdu МОЕЭ1Г -эж имнхвхор э BDXoiXlfodah (эокхэаэ) noiroodn aiqHVXdaog (dVOl) qirpuaoHadi HHtiHHaodu ей pvXd бвнеэ1гэж bbxohoito — о g-g ’эи^
EHtr OJOMOdoW trodou XI4HhOVE3O WSHHEa -HhEiraTniaa э шги ииIвинэжdэй€и имимээьинЕЯЕЛа hwhh -VoaVoB о онвЕвеэ Xvoa orAxodoHi а эинэтаЛхоои oxa охь ‘xcHEiHhO аннаьЛ эихонм omehVo ‘trodou xiqHqifEi -нэнихноя eh qaoifEauhEifdtniqa о£Э1гаж ‘онжомеод мнн -эвэн вохавхао всагаж яиньохэи xudow хия^ам a aotr -иэяodtrиJ и аоКиэяо эIЛIdoф а ошнэ^жвао и xBdoaiaBd a oxa Xoouadau ‘trodou ей веэ1гэж огинваиьв1гэтиа нд oifBaoaxagoaoua охь ‘<яахэонхо1гэия иодвтгэ и оихэон
Рис. 5-6. Расположение важнейших железорудных районов типа Лейк-Сьюпириор.
Высота над уровнем моря, м
мененные железистые кварциты, залегающие под скоплениями обогащенных руд, не добывались; после истощения запасов богатых руд в Соединенных Штатах Америки начали развиваться способы добычи и обогащения неизмененных руд — называемых таконитами — в рудной провинции Лейк-Сьюпириор.
Добыча таконитов представляет собой хороший пример того, как развитие техники и технологии может повлиять на оценку потенциальных ресурсов. Первые попытки использования таконитов сразу после второй мировой войны показали, что этот процесс будет весьма дорогостоящим и что бессмысленно надеяться на равноценную замену богатых руд таконитами. Однако вскоре выяснилось, что такониты хорошо обогащаются благодаря различной магнитной восприимчивости и плотности железистых и кремнистых минералов. Выяснилось также, что окатыши, получаемые при обогащении руд, повышают эффективность доменного процесса по сравнению с традиционными рудами и что сэкономленные при этом средства на транспорт и плавку компенсируют более высокую стоимость добычи и обогащения. Таконитовые окатыши стали ныне стандартом качества в промышленности; в 1983 г. из них было выплавлено более 75 % всего железа, произведенного в США.
Запасы измененных и обогащенных руд огромны — многие миллиарды тонн,— но они не идут ни в какое сравнение с количеством неизмененных руд. По оценкам Геологической службы США, произведенным в 1965 г., запасы таконитов в районе Лейк-Сьюпириор составляют 10й т железа. Другие оценки свидетельствуют о еще более крупных запасах в Трансваале (ЮАР), на Украине (СССР), в Хамерсли (Австралия), Лабрадорском прогибе (Канада) и Минас-Жерайс (Бразилия).
Если предположить, что мировое потребление железа за год составляет менее 109 т, можно сказать, что запасы настолько велики, что даже с ростом его использования пройдет много столетий, прежде чем они истощатся настолько, что возникнут серьезные проблемы в этом плане.
Алюминий
Алюминий распространен в земной коре более широко, чем железо и благодаря своей легкости имеет лучшее отношение массы к прочности, что делает его более предпочтительным, нежели железо. В чистом виде этот элемент был впервые выделен в 1827 г. Процесс его выплавки очень трудоемок. Некоторое время металл был так редок и так дорог, что во Франции в королевской семье установилась мода на алюминиевые ножи и вилки! Только в конце девятнадцатого — начале двадцатого столетия были разработаны методы промышленного производства чистого алюминия, после чего область его применения значительно расширилась. Мировое производство алюминия в 1981 г. превысило 15 млн. т, но несколько снизилось в 1982 г. в результате экономического спада; ожидается, что в скором времени оно возрастет до 20 млн. т в год. Кроме замечательных прочностных качеств и малого веса алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей электрической проводимостью. В каждой области применения используется одно или несколько его полезных качеств, в результате чего алюминий заменил железо в ряде металлоконструкций и медь — в электрической сети» Известно, что 90 % новых линий электропередач в США построены на основе алюминиевого провода. Но алюминий не только заменитель, есть и его «собственные» отрасли в строительстве, транспорте и упаковочной индустрии.
Выплавка алюминия требует значительных количеств электроэнергии: на тонну алюминия расходуется энергия, эквивалентная теплоте сгорания 7 т угля. В США на алюминиевую промышленность приходится около 3 % производимой в стране электроэнергии. С ростом выплавки алюминия желательно базировать его производство на более дешевых источниках энергии — типа гидроэлектростанций, расположенных вдоль реки Колумбия на северо-западе США и в малонаселенных областях севера Канады. Необходимость больших количеств электроэнергии отразилась на распределении алюминиевой промышленности по земному шару.
Ресурсы алюминия. Алюминий, так же как и железо, входит в состав многих минералов. Однако почти весь алюминий производится сейчас из трех алюминиевых гидроксидов: гиббсита, бёмита и диаспора. Это порождает курьезную аномалию. Алюминий — третий по распространенности в земной коре элемент, но его гидроксиды являются достаточно редкими минералами. Поэтому запасы и потенциальные ресурсы традиционных алюминиевых руд весьма ограниченны; кроме того, географически они распространены крайне неравномерно.
Минералы, сформировавшиеся в результате магматических или метаморфических процессов, стабильны в глубоких зонах земной коры, где нет значительных скоплений свободной воды; такие минералы часто безводны или в лучшем случае содержат ничтожно малое количество воды. Выведенные геологическими процессами на поверхность, они теряют эту стабильность, и хотя процессы химических изменений на поверхности достаточно медленные, магматические или метаморфические минералы постепенно превращаются в новые, более устойчивые в этих условиях минералы, содержащие обычно заметные количества воды. Такое превращение называется химическим выветриванием. При выветривании такие элементы, как натрий, калий, кальций и магний, легко переходят в раствор и выносятся. На месте остается так называемый латерит (рис 5-8). Большая часть латеритов богата железом, но в некоторых из них в заметных количествах накапливается алюминий. Латериты с повышенным содержанием алюминия состоят из гидроксидов алюминия и называются бокситами (по названию деревушки Ле-Бокс на юге Франции, где они были впервые описаны в 1821 г.).
Бокситы, очевидно, формируются только в специфических условиях тропического выветривания. В низинах, на сравнительно плоских и ровных местах дождевая вода стекает медленно и механический вынос продуктов выветривания в виде взвеси минимален. Хотя растворимость большинства минералов чрезвычайно низка, наиболее эффективным способом выноса материала в низменных районах становится транс-
Остаток, богатый гидроксидами AI и Fe3+Остаток, богатый гидроксидами AI и Fe3+Гидроксиды железа, алюмосиликаты и кварцГидроксиды железа, алюмосиликаты и кварцходные породы ^нарушенным 1мическим ставомходные породы ^нарушенным 1мическим ставомЛатеритЛатеритГлины и некоторые гидроксиды, составляющие крайне измененную породуГлины и некоторые гидроксиды, составляющие крайне измененную породуЧастично измененные породы, переходящие в неизмененныеЧастично измененные породы, переходящие в неизмененныеРис. 5-8. Наиболее растворимые элементы в процессе химического выветривания выносятся из латеритной шапки, в которой концентрируются менее растворимые гидроксиды железа и алюминия. Если преобладают гидроксиды алюминия, латерит называется бокситомРис. 5-8. Наиболее растворимые элементы в процессе химического выветривания выносятся из латеритной шапки, в которой концентрируются менее растворимые гидроксиды железа и алюминия. Если преобладают гидроксиды алюминия, латерит называется бокситом
Остаток, богатый гидроксидами AI и Fe3+
Остаток, богатый гидроксидами AI и Fe3+
Гидроксиды железа, алюмосиликаты и кварц
Гидроксиды железа, алюмосиликаты и кварц
ходные породы ^нарушенным 1мическим ставом
ходные породы ^нарушенным 1мическим ставом
Латерит
Латерит
Глины и некоторые гидроксиды, составляющие крайне измененную породу
Глины и некоторые гидроксиды, составляющие крайне измененную породу
Частично измененные породы, переходящие в неизмененные
Частично измененные породы, переходящие в неизмененные
Рис. 5-8. Наиболее растворимые элементы в процессе химического выветривания выносятся из латеритной шапки, в которой концентрируются менее растворимые гидроксиды железа и алюминия. Если преобладают гидроксиды алюминия, латерит называется бокситом
Рис. 5-8. Наиболее растворимые элементы в процессе химического выветривания выносятся из латеритной шапки, в которой концентрируются менее растворимые гидроксиды железа и алюминия. Если преобладают гидроксиды алюминия, латерит называется бокситом
портировка в растворах. Большое количество дожде- вой влаги и теплый климат тропических областей существенно ускоряют этот процесс.
Кроме дождей, топографии местности и температуры воздуха, большую роль в формировании бокситов играет кислотность вод, омывающих породы. После выноса большей части элементов остаток обогащается глинистыми минералами, такими, как каолинит Al2Si2O5(OH)4. Каолинит затем также растворяется. Если просачивающиеся через породы воды очень кислые, минерал может раствориться полностью; если кислотность вод незначительна, в раствор уходит только кремнезем, а осаждаются гидроксиды алюминия; таким образом формируется боксит. Этот процесс происходит очень медленно, причем постоянно повторяются явления растворения и осаждения, в результате чего бокситы имеют ярко выраженную пизолитовую структуру (рис. 5-9).
Исходные породы, из которых в этих условиях образуются бокситы, могут иметь различный состав. Некоторые породы не содержат достаточного количества алюминия, но большая часть характеризуется относительно низким содержанием кремнезема по сравнению с другими породами. Ряд наиболее крупных месторождений бокситов образовался на извест-
Рис. 5-9. Пизолитовая структура бокситов из Арканзаса (США) сформировавшаяся в результате повторяющихся процессов растворения и отложения. Каждый пизолит имеет примерно 1—2 см в диаметре и состоит из большого количества тонких колец, сложенных гидроксидами алюминия. (В. J. Skinner.)
няках, которые состоят преимущественно из карбоната кальция с небольшой примесью глинистых и железистых минералов; поэтому латериты, образовавшиеся на их месте, являются бокситовыми. В тропическом климате известняки быстро растворяются, а глинистый остаток остается, при этом кислотность выщелачивающих вод во многих случаях благоприятствует формированию бокситов.
Бокситы достаточно широко распространены на Земле, но концентрируются главным образом в тропиках. Если же они встречаются ныне в зоне умеренного климата, например в Южной Франции или Арканзасе, то следует иметь в виду, что во время их образования климат этих мест был тропическим. Поскольку бокситовые месторождения являются поверхностными, они подвержены воздействию процессов механического выветривания. Бокситы не известны в местах развития ледниковых покровов, поскольку движущийся лед сдирает с поверхности все рыхлые от-
ложения. Вследствие незащищенности от более поздних процессов эрозии большинство бокситовых месторождений являются молодыми в геологическом отношении: более 90 % из их числа сформировались в последние 60 млн. лет, а крупнейшие — в 25 млн. лет.
Тропические регионы являются наименее развитыми в экономическом отношении, и только после второй мировой войны здесь проводились широкомасштабные поисковые работы на бокситы, в результате которых были открыты крупные запасы богатых руд в тропических районах Австралии, стран Карибского бассейна, Африки и Южной Америки.
В 1967 г. Геологическая служба США оценила мировые запасы бокситов в 5,8-109 т, а потенциальные ресурсы — в 9,6 • 109 т; естественно, речь шла о тех потенциальных ресурсах, которые считались таковыми в то время (они не попадали в категорию запасов из-за низких содержаний алюминия в рудах или их географической удаленнрсти). Приблизительно 73 % общих запасов и ресурсов располагаются в тропической зоне северной части Квинсленда (Австралия), в Гвинее и Камеруне (Африка), в Суринаме и Гайяне (Южная Америка) и на Ямайке. Остальные 27 % широко рассеяны и в силу большей изученности территорий тяготеют к Европе и Азии. Начиная с 1967 г. много новых месторождений было открыто в Бразилии, Западной Африке, на Тайване и в Индонезии. Многие ресурсы, оцененные в 1967 г. как потенциальные, стали запасами после того, как инженеры научились использовать более бедные руды; не последнюю роль здесь сыграло и развитие мирового транспортного хозяйства. Те же специалисты, которые в 1967 г. оценивали запасы алюминиевых руд, в 1974 г. оценили потенциальные ресурсы бокситов в 20 • 109 т, из которых по крайней мере 10-109 т относятся к категории запасов. К 1982 г. эти цифры вновь возросли за счет новых открытий, хотя и не столь значительно. Общие ресурсы бокситов оценивались ориентировочно и в 1982 г. составляли примерно 25-109 т. Эта цифра может возрастать и далее, но период открытий гигантских месторождений, по-видимому, прошел, поскольку большая часть территории тропиков уже опоискована. Ограниченность^
условий, в которых образуются бокситы, практически исключает возможность увеличения их ресурсов, скажем, на порядок; поэтому современная оценка в 25*Ю9 т представляется достаточно реалистичной.
Значение 25-109 т выглядит значительным только на первый взгляд, в сравнении же со значениями для железорудных месторождений оно ничтожно, поскольку такие запасы может иметь одно-единственное месторождение железа. Если учесть, что даже в богатых бокситах алюминий составляет только треть их общей массы и что в ближайшем будущем ожидается увеличение производства алюминия до 20-106 т в год, становится понятным беспокойство, вызываемое грядущей перспективой. Запасы бокситов схожи с запасами нефти: они достаточны для ближайшего будущего, на них можно рассчитывать как в конце этого, так и в начале следующего столетия, но нет никакой уверенности, что наши потребности в бокситах могут быть удовлетворены в отдаленном будуще^
Несмотря на то, что запасы бокситов еще достаточно велики и могут обеспечить промышленность вплоть до первых десятилетий следующего века, экономические и политические факторы свидетельствуют о неизбежности 'освоения других источников алюминия. Самые крупные страны — потребители этого металла — отнюдь не ведущие страны по добыче бокситов (табл. 5-1), поэтому одним из решающих факторов станет рост цен на бокситовое сырье, поскольку страны-производители будут стремиться к получению больших прибылей от стран-импортеров, что будет выражаться в повышении цен на землю и право добычи, в росте налогов и затрат на техническое обустройство рабочих мест и т. п. Другими факторами являются рост затрат на транспорт и средства производства, опасность национализации предприятий добывающей промышленности раньше, чем вложенные средства успеют окупиться, политическая нестабильность. Финансовый фактор настолько значим, что многие из сегодняшних запасов могут перейти снова в разряд потенциальных ресурсов. Так существуют два наиболее важных фактора, оказывающих решающее влияние на ресурсы бокситов: с одной стороны, это социально-
Таблица 5-1. Главные страны — продуценты бокситов и алюминия (1981 г.)
Добыча бокситов, млн. т
f Производство алюминия, млн. т
Австралия
25,5
США
4,5
Гвинея
12,1
СССР *
1,8
Ямайка
11,7
Канада
1,2
Бразилия
5,3
Япония
0,8 0,7
СССР
<6
ФРГ
Суринам
37
Норвегия
0=6
0,4
Греция Югославия
3,3
3,2
Франция
16 других стран
16,2
35 других стран
5,1
* Часть производства алюминия осуществляется5 из сырья. (По материалам Горного бюро США.)
небокситового
политические условия, с другой — малая распространенность бокситов самих по себе. Действие обоих факторов приводит к необходимости замены с течением времени бокситов на другие виды сырья. Что это за «другие виды сырья»? Кандидатами здесь могут быть минералы, перечисленные в табл. 5-2. Уже в настоящее время алюминий получают из нефелина (СССР) и алунита (Япония, СССР, Мексика* и США). Однако и с этими минералами связаны проблемы, аналогичные описанным для бокситов, поэтому большие надежды возлагаются на производство алюминия из более распространенных минералов.
Глинистые минералы, такие, как каолинит, образуются в процессе выветривания большинства горных пород и вслед за кварцем являются наиболее распространенными минералами в современных осадочных породах. Если себестоимость производства снизится, то глины смогут использоваться уже сейчас. Успешные испытания этого сырья проведены к настоящему времени в США, СССР и Польше, но пока затраты на такое производство алюминия значительно выше, чем при использовании бокситов. Объясняется это тем, что каолинит является силикатом, а силикаты в целом требуют больше энергии, чем гидроксиды для выплавки из них металла. Поэтому, прежде чем начинать промышленное использование новых видов алюминиевого
Таблица 5-2. Используемые ныне и алюминиевого сырья *
потенциально важные виды
Минерал
Состав
Содержание А1, %
Примечания
Руды, используемые ныне
Бемит ।
Диаспор J
НА1О2
45
Главные составляющие бокситов
Гиббсит
НзАЮз
34,6
Андалузит Кианит>
Силлиманит J
Потенциально важные руды
Использовались в Швеции
AI2S1O533,5 в период второй мировой
войны
КаолинитAl2Si2O5(OH).
АнортозитCaA12Si2O8
(главный минерал — анортит)
। 20,9
19,4
Успешные испытания в США, СССР и Польше. Использовался Японией и Германией во время второй мировой войны
Успешные испытания в США и Норвегии
НефелинNaAlSiO4
Алунит К2А16(ОН) i2(SO4)4
Даусонит NaAl (ОН) 2СО3
Вавеллит А13(РО4)г(ОН)3-
•5Н2О
18,4
19,6
18,7
19,6
Ограниченно используется в СССР, успешные испытания в США и Японии Прошел испытания в США, ограниченно используется в СССР
Может производиться в виде побочного продукта при обработке горючих сланцев в США
Может извлекаться при переработке фосфатных руд. В настоящий момент не добывается
* Более полное рассмотрение вопроса о потенциальных сырьевых материалах можно найти в журналах Bulletin 1228 (1967) and Professional Paper 820 (1973), издаваемых Геологической службой США.
сырья, необходимо решить некоторые технологические и экономические проблемы. Как только они будут решены, потенциальные ресурсы алюминиевого сырья благодаря широкой распространенности глин значительно опередят ресурсы железа.
Производство алюминия из глин — всего лишь одна из большого ряда возможностей. Обратившись к табл. 5-2, можно видеть, что есть множество других вариантов. Силикаты алюминия — андалузит, силлиманит и кианит — образуются при метаморфизме глинистых осадочных пород. Как и исходные глинистые образования, они довольно широко распространены, но при их использовании в качестве алюминиевого сырья необходимо предварительное обогащение. Завод по производству алюминия из силикатов алюминия построен на юге Франции.
Наиболее распространенной группой алюминий- содержащих минералов в земной коре является семейство полевых шпатов, химический состав которых определяется количественными соотношениями трех компонентов: KAlSUOs, NaAlSisOs и CaAl2Si2O8. Кальциевый полевой шпат — анортит — содержит около 19 % алюминия по массе и является основным породообразующим минералом магматических пород, называемых анортозитами. Экспериментальные испытания в США и Норвегии показали, что производство алюминия из анортозитов возможно. Распространенность анортозитов очень велика; на месторождении в пределах Ларамийского хребта (шт. Вайоминг, США) запасы анортозитов до глубины 30 м составляют, согласно оценке, 30-109 т горной породы, а в целом для США эта цифра превышает 10й т. Исследования и технологические испытания этого вида сырья продолжаются, и многие специалисты считают, что анортозиты как алюминиевое сырье являются более перспективным заменителем бокситов, нежели глинистые минералы.
Что касается других возможных источников алюминия (табл. 5-2), то с ними связано меньше технологических и прочих проблем, чем с анортозитами и глинами, однако, как и упоминавшиеся выше алунит и нефелин, они имеют ограниченную распространенность. Наиболее реалистичная оценка алюминия заключается, по-видимому, в том, что это продукт с большими потенциальными ресурсами, требующими новых технологических решений, но производство его всегда будет энергоемким и дорогостоящим.
Марганец
Марганец является исключительно важной добавкой в сталях, снижающей отрицательное действие малых количеств серы и кислорода. На каждую тонну производимой стали требуется приблизительно 7 кт марганца, при этом заменитель ему пока не найден.
Марганец, как и железо, имеет несколько степеней окисления, и его распределение во многом контролируется этой особенностью. Марганец легко накапливается при формировании хемогенных осадочных пород (образующихся при химическом осаждении), вулканогенно-осадочных комплексов и остаточных кор выветривания при изменении первоначальных пород. Как и в случае железа, наиболее окисленный марганец наименее растворим и поэтому концентрируется в остаточных корах выветривания и осадочных месторождениях.
Наиболее крупные месторождения марганца, в которых пиролюзит МпО2 и другие марганцевые минералы входят в состав хемогенной осадочной породы, очень похожи на фанерозойские железорудные месторождения; к ним относятся Чиатурское (Грузинская ССР) и Никопольское (Украинская ССР) месторождения. Запасы этих двух месторождений оцениваются в сотни миллионов тонн, что составляет более 75 % мировых запасов богатых марганцевых руд. Значительные месторождения остаточных кор выветривания, представленные в основном пиролюзитом и псиломеланом Мп2О3-2Н2О, найдены в ЮАР, Индии, Австралии, Бразилии, Габоне и Китае. Так же как и бокситы, богатые коры выветривания образуются в тропиках, где наблюдаются обильные дожди и поэтому чрезвычайно широко развито выветривание.
Согласно оценке Горного бюро США за 1970 г., мировые ^запасы доступных для разработки марганцевых руд составляют 25-Ю9 т, т. е. не так уж много по сравнению с уровнем их потребления (25-106 т в 1981 г.) (табл. 5-3). Возможно, что при дальнейших исследованиях тропических районов будут открыты месторождения богатых марганцевых руд, но более вероятная перспектива — это обращение к нетрадиционным источникам.
Таблица 5-3. Основные страны — продуценты марганцевых руд (1981 г.). Главными потребителями руд являются крупные страны — продуценты чугуна и стали (рис. 5-4)
Страна
млн. т
Страна
млн. т
СССР
9,40
Индия
1,50
ЮАР
5,04
Г абон
1,49
Бразилия Китай
1,90
1,60
Австралия
1,41
(По материалам Горного бюро США.)
Одним из наиболее крупных потенциальных источников марганца, оживленно обсуждаемых уже много лет, являются осадки дна океанов. В 1872—1876 гг. Лондонское королевское общество организовало исторический рейс — кругосветное плавание на судне «Челленджер», в котором были собраны сведения о водах, обитателях и растениях океанов, а также о месторождениях океанического дна. Одним из наиболее интересных открытий было обнаружение на дне океанов огромных скоплений черных конкреций до нескольких сантиметров в диаметре (рис. 5-10). Конкреции представляют собой смесь оксидов и гидроксидов марганца и железа. Обычно эти конкреции называются марганцевыми, однако правильнее их называть железомарганцевыми. Несмотря на интенсивные исследовании последних лет, некоторые особенности происхождения конкреций по-прежнему неясны. Считается, что элементы, составляющие конкреции, поступают как с континентов, так и из вулканических пород океанического дна в результате выщелачивания их морской водой в районах срединно-океанических хребтов. Пройдя сложный путь в несколько этапов, эти элементы накапливаются в наиболее глубоких частях океана.
Скорость роста конкреций исключительно низкая — менее 1 мм за тысячу лет. Они широко распространены на морском дне; подсчитано, что около 2-10 2 т конкреций может быть поднято со дна одного только Тихого океана. Это может дать 4«10н т марганца.
Добыча железомарганцевых конкреций уже ве-
140 Глава 5
Рис. 5-10. а — фотография дна Тихого океана на глубине 5320 м, показывающая участок, усеянный железомарганцевыми конкрециями. (С разрешения Lamont Doherty Geophysical Observatory of Columbia University); 6 — железомарганцевая конкреция в разрезе. Видны тонкие прослои, образовавшиеся в результате медленных процессов химического осаждения материала. Длина конкреции 10 см. (В. J. Skinner.)
дется в опытном порядке со дна Тихого океана рядом японских и американских компаний. Пока не известно, когда начнется регулярная их добыча. Как это ни странно, но морские конкреции, содержащие до 25 % марганца, будут добываться не ради этого металла, а ради полезных примесей. В конкрециях нередко содержится несколько процентов меди, никеля, кобальта и других редких металлов; если методика их из-
влечения окажется эффективной, то первые партии конкреций будут использованы в этих целях. Марганец же будет извлекаться в качестве побочного продукта. Остается пока открытым вопрос о воздействии процесса драгирования на морское дно. Не решен также вопрос о праве на драгирование океанического дна в международной акватории; до сих пор он обсуждается в ООН в рамках разработки «Морского законодательства». Решение этих вопросов выдвинет на первый план проблемы добычи конкреций и охраны прав, а также ряд других проблем, часть из которых уже разрабатывается.
Титан
|В титане, как и в алюминии, малый удельный вес сочетается с высокой прочностью и коррозионной стойкостью. В некоторых случаях — в частности, при создании сверхзвуковых самолетов — титан наиболее отвечает технологическим требованиям. Этот металл с трудом обрабатывается и выплавляется из руд. Промышленное производство титана началось только после второй мировой войны, при этом потребление его в США составило в 1981 г. всего 29 тыс. т. Пока еще net возможности оценить запасы титана с доста-, точной точностью, однако ясно, что они значительны. |
В настоящее время 90 % добычи приходится на руды) состоящие из оксида титана ТЮ2, который широко I используется в производстве титановых белил.
Ильменит РеТЮз — главный рудный минерал — накапливается в магматических сегрегациях (шлирах) и наиболее часто ассоциируется с анортозитами. Крупнейшие титановые месторождения в Аллард-Лейк (Квебек, Канада) того же типа, что и месторождения Санфорд-Лейк в горах Адирондак на севере штата Нью-Йорк (США) и Блофелдит в Норвегии.
Второй титановый минерал — рутил ТЮ2 — столь же обычен в земной коре, как и ильменит, но он не образует значительных скоплений при магматических, метаморфических и гидротермальных процессах. Существует, однако, способ концентрации и рутила и ильменита. Оба минерала широко распростра-
йены в магматических и метаморфических породах, оба имеют высокую плотность и стойкость к воздей- ). ствию агентов выветривания. Стойкость к разрушению
объединяет их с минералами, которые наиболее устойчивы при выветривании; когда глины и другие тонкозернистые продукты разрушения переносятся в виде суспензий, прочные и тяжелые минералы остаются и накапливаются в россыпях (гл. 6) J Крупные россыпные месторождения разрабатываются в Австралии, Шри-Ланке, Индии, Сьерра-Леоне, ЮАР и СССР Запасы этих месторождений велики, а потенциальные ресурсы еще значительнее; запасы морских россыпей на Атлантическом побережье США достигают 109 т По мнению экспертов, они достаточны для будущего.
Магний
Магний является наиболее легким и стабильным из распространенных металлов. Будучи прочным, он необходим в производстве легких сплавов с высокой коррозионной стойкостью, особенно в сплавах с алюминием. Мировое производство металлического магния невелико по сравнению с производством железа или алюминия и составляет примерно 300 тыс. т (1981 г.) Однако магний используется обычно не в металлической форме, а в соединениях, в частности в виде оксида MgO, который обладает замечательными термоизоляционными и электроизоляционными свойствами. Главным источником магния являются моря, содержащие неистощимые запасы этого элемента (гл. 2); магний входит и в такие широкораспространенные в земной коре минералы осадочных пород, как доломит CaMg(CO3)2 и магнезит MgCOs. Если осадочная порода состоит преимущественно из доломита, ее также называют доломитом. Магнезит, кроме осадочных пород, встречается в корах выветривания и в гидротермальных месторождениях.
Запасы магния практически неограниченны, к тому же они настолько доступны, что их обсуждение не имеет смысла. Единственное ограничение в использовании магния человеком — это технологические сложности.
Распространенные металлы в будущем
Из приведенного выше обсуждения можно сделать вывод, что распространенность элемента в земной коре пропорциональна его запасам, доступным для человека. Добыча руд не будет ограничивать использование распространенных металлов, хотя на этом пути возможны временные трудности, связанные с попытками освоения новых типов руд. За исключением алюминия, ни с одним из распространенных металлов не возникнет серьезных экономических трудностей, но и для алюминия технологические проблемы могут быть решены.
Что касается редких и рассеянных металлов, которые мы рассмотрим в следующей главе, то для них будут справедливы совершенно другие выводы.
Глава 6
Редкие металлы
Возможность истощения руд некоторых металлов в ближайшем будущем и неуклонное снижение качества руд большинства эксплуатируемых месторождений предостерегают, что приведение технологии разработки, экономики и плотности населения в максимально возможное соответствие с изменяющимися запасами минерального сырья потребует серьезных усилий. (Т. S. Lovering, «Mineral Resources from the Land», in: Resources and Man, edited by P. Cloud, 1969, U. S. National Academy of Sciences.)
Редкие металлы определяются как металлы, имеющие распространенность в земной коре ниже 0,1 %. Возможно, кто-то с удивлением обнаружит, что такие обычные металлы, как медь, цинк, свинец и никель, производство которых непрерывно растет (рис. 6-1), являются геохимически редкими и находятся в одном ряду с золотом, серебром и платиной. Большинство экспертов полагают, что серьезные трудности возникнут в первую очередь с металлами этой группы и что они способны «бросить вызов» развитию технологии. Действительно, недостаток некоторых из них ощущается уже сейчас. Производство серебра и золота уже не удовлетворяет нужд промышленности, поэтому в переработку вовлекаются отвалы и хвосты бывших горнодобывающих предприятий.
Редкие металлы представляют собой группу жизненно важных элементов, которые в нашем столетии ускорили развитие таких технических чудес, как получение и передача электроэнергии, телеграф, радио, телевидение, воздухоплавание, ракетостроение и ядер- ная энергетика. Так, без широкого снабжения медью значительно медленнее развивалась бы электроэнергетика. Возможность истощения редких металлов угрожает не только существующим техническим и технологическим чудесам, но, вероятно, и тем, которые еще только создаются. Неограниченное снабжение ураном, например, не принесет большой пользы, если будет недостаточно других металлов, необходимых для строи-
СвинецСвинецГодыГоды—— Мировое производство-Производство в США—— Мировое производство-Производство в СШАПотребление в СШАПотребление в СШАРис. 6-1. Производство (в США и мировое) и рост потребления в США редких металлов. Доля США в потреблении снижается с повышением уровня жизни в других странах. (По данным Горного бюро США.)Рис. 6-1. Производство (в США и мировое) и рост потребления в США редких металлов. Доля США в потреблении снижается с повышением уровня жизни в других странах. (По данным Горного бюро США.)
Свинец
Свинец
Годы
Годы
—— Мировое производство-Производство в США
—— Мировое производство-Производство в США
Потребление в США
Потребление в США
Рис. 6-1. Производство (в США и мировое) и рост потребления в США редких металлов. Доля США в потреблении снижается с повышением уровня жизни в других странах. (По данным Горного бюро США.)
Рис. 6-1. Производство (в США и мировое) и рост потребления в США редких металлов. Доля США в потреблении снижается с повышением уровня жизни в других странах. (По данным Горного бюро США.)
тельства атомных электростанций и линий электропередач.
Относительная распространенность редких металлов в земной коре мала, но общие их количества все
Элемент
Содержание в среднем граните *, %
Цена металла (по курсу 1982 г.), долл./кг
Денежное выражение количества металла в 1 т среднего гранита, долл.
Торий
0,002
176
3,52
Бериллий
0,0002
531
1,59
«Литий
0,003
44
1,32
Ниобий
0,002
66
1,32
Тантал
0,0002
132
0,30
Уран
0,0005
25
0,12
Вольфрам
0,0002
31
0,06
Золото
0,000002
14789
0,06
Цинк
0,005
0,99
0,05
Свинец
0,0039
0,79
0,03
Молибден
0,0001
20
0,02
Медь
0,0024
1,83
0,02
Серебро
0,0000036
338
0,01
Таблица 6-1. Количество редких металлов в 1 т среднего гранита
* (По данным Wedepohl (1978).)
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
10 000 8000
6000
Ртуть (0,20)
Вольфрам (1,35)
Свинец (4,0)
же довольно значительны, поскольку сама кора велика по размерам. Поэтому, казалось бы, имеет смысл рассматривать «среднюю» горную породу в качестве потенциального источника редких металлов. Между прочим, такие предложения уже делались. Однако огромные объемы породы, которые пришлось бы переработать для этого, и громадное количество энергии, необходимое для дробления, исключают возможность реализации этого проекта. Насколько нерентабельным было бы такое предприятие, видно из табл. 6-1, в которой даны денежные выражения количества редких металлов в 1 т гранита. Если даже предположить, что будет достигнуто стопроцентное извлечение, мы получим редких металлов на сумму всего 8,42 долл, (по курсу 1982 г.). Добыча и дробление 1 т гранита обойдутся в 8,50 долл., а переплавление такого объема породы будет стоить несколько сотен долларов, так что с экономической точки зрения такое предложение не выдерживает критики. Имеется и другой довод против извлечения редких металлов из обычных горных пород.
Рис. 6-2. Распространенность редких металлов в земной коре настолько мала, что для рентабельной добычи необходимо многократное превышение их концентрации над средним содержанием. Для распространенных металлов необходимо меньшее превышение над средней распространенностью, что соответствует богатым рудам. Приводимые на рисунке значения в скобках — минимальные содержания металлов в рудах, необходимые для рентабельной эксплуатации месторождений в условиях современной технологии. Отметим, что с изменением цен на металлы эти значения также могут изменяться (снижаться или расти) . Например, для золоторудных месторождений за период с 1969 по 1982 г. отношение содержания золота в руде к его содержанию в земной коре упало с 4000 до 1600 в связи с ростом цен на золото.
4000
Золото (0,00032)
Олово (0,2) Уран (0,18) Молибден (0,1) Серебро (0,006) Платина (0,0003)
Цинк (2,5)
200 —
Никель (1,0)
100
80
60
40
20
6
4
Медь (0,5)
Железо (25)
Алюминий (30)
Если все-таки использовать гранит, то придется извлекать все содержащиеся в нем металлы — и редкие, и распространенные. Но это приведет к сравнительно большему, чем нужно, производству железа, алюминия
и других распространенных металлов и к далеко не достаточному производству редких металлов (олова, серебра, меди), поскольку и те и другие используются нами не в характерной для земной коры пропорции — скорость потребления редких металлов выше, чем тот же показатель для распространенных металлов.
4 В качестве источника редких металлов мы рассматриваем, конечно, не обычные горные породы, а рудные месторождения — локальные скопления рудных минералов (табл. А-2 приложения) с высоким содержанием необходимых металлов, пригодных для быстрого и рентабельного извлечения!^ Нет оснований считать, что такая практика в будущем изменится. Для того чтобы решить, является ли то или иное скопление рудных минералов месторождением, рассматривается целый ряд факторов. Современные требования промышленности к минимальным содержаниям металлов достаточно высоки (рис. 6-2), даже если все остальные факторы благоприятны, хотя и наблюдается тенденция к снижению этих требований по мере повышения эффективности добычи в связи с изменением цен. Мы не знаем, насколько в будущем могут снизиться требования к содержанию металлов, поскольку рост затрат на их извлечение может привести к тому, что мы предпочтем обойтись без металлов или место каких- либо редких металлов смогут занять такие заменители, как цемент, керамика, пластмассы или даже распространенные металлы. Технология также является «ресурсом» — ресурсом человеческой изобретательности, очень важным в развитии потенциальных ресурсов редких металлов. И то, что сегодня или даже завтра выглядит безнадежным для эксплуатации в современных условиях, благодаря развитию технологии может стать вполне реальным в будущем.
Распространенность редких металлов
Редкие металлы распространены повсеместно, однако в отличие от распространенных элементов они не образуют собственных минералов в горных породах. Конечно, они входят в состав некоторых породообразующих минералов, но лишь в форме примесей;
например замещая в силикатах часть атомов распро- ^раненных элементов. Так, атомы никеля могут замещать атомы магния в оливине Mg2SiO4, хотя это происходит лишь с несколькими сотнями атомов магния из миллиона. То же самое наблюдается в полевых шпатах, где свинец может замещать калий. Это вызывает напряжения в кристаллической структуре минерала, поэтому такие замещения ограниченны. Они контролируются температурой, давлением и различными химическими параметрами горных пород конкретного состава. В большинстве случаев эти пределы не превышаются, и поэтому редкие металлы остаются в решетках соответствующих минералов. Для их извлечения необходимо разрушение кристаллических решеток минералов-хозяев, а это сложный процесс, поскольку большая часть силикатных минералов тугоплавка и с трудом поддается плавлению. Когда достигается предел вхождения примесей, примесный элемент образует свой собственный минерал, например галенит PbS в случае со свинцом. Физические свойства галенита существенно отличаются от свойств ассоциирующихся с ним силикатов, и простое дробление с последующим обогащением (флотация) позволяет получить исключительно богатый свинцом галенитовый концентрат, который можно подвергать дальнейшей обработке. Присутствие редких элементов в виде самостоятельных минералов, физические свойства которых резко отличаются от таковых ассоциирующихся с ними минералов, всегда было важным фактором в использовании металлов и их руд. Примечательно, например, что редкий металл галлий (Ga) при средней концентрации в земной коре, почти вдвое большей, чем у свинца, практически всегда является элементом-примесью в алюминийсодержащих силикатах. Может быть, поэтому галлий не имеет широкого применения, что, однако, могло бы иметь место, если бы нашелся подходящий для его извлечения минерал.
Графическое представление различий между редкими металлами, входящими в состав силикатов и образующими собственные минералы, показано на рис. 6-3. Нижняя кривая на диаграмме, показывает количество энергии, необходимое для извлечения 1 кг
Рис. 6-3. Энергия, необходимая для извлечения металлической меди из сульфидных руд и горных пород, в которых силикатные минералы содержат медь в виде изоморфной примеси. Представленные две линии параллельны, но не составляют единого целого. Наблюдаемый разрыв — это так называемый минералогический барьер, который разделяет руды и горные породы. Такая зависимость характерна для всех редких металлов.
меди из силикатной породы, содержащей халькопирит CuFeS2. Количество необходимой энергии увеличивается с уменьшением содержания меди (а значит, и халькопирита); это происходит потому, что чем ниже содержание, тем больше горной породы необходимо добыть, раздробить и обогатить для получения нужного количества концентрата, а чем больше перерабатывалось породы, тем больше в итоге используется энергии. Но расходы энергии на переплавление концентрата всегда одни и те же независимо от количества руды. Верхняя кривая демонстрирует количество энергии, необходимой для переработки силикатной породы, в которой медь присутствует в виде примеси в других минералах. Пример был просчитан для слюды (биотита) при условии содержания ее в породе 30 %. Обе линии параллельны друг другу, поскольку процессы добычи, дробления и обогащения для произ-
водства биотитового и халькопиритового концентра- .^в приблизительно одинаковы. Разница между линиями обусловлена различием в энергии, необходимой для переплавления. Заметим, что сульфидный минерал образуется при концентрации меди в породе более 0,1 %; если это содержание ниже, медь существует только в виде примеси в других минералах. Точную концентрацию привести не представляется возможным, так как для различных типов пород она различна. Аналогично верхняя кривая доходит лишь до содержания Си не более 0,05 %, поскольку в обычных породах не отмечаются высокие содержания меди. Разрыв между крайними точками рассмотренных кривых называют минералогическим барьером. Руды с содержаниями ниже 0,1 % не только содержат меньше меди, но она вся входит в состав силикатов в виде примесей, вследствие чего такую руду сложнее перерабатывать. Поэтому жизненно важен вопрос: сколько меди в земной коре содержится в виде примеси в силикатах, а сколько в рудных минералах?
VK сожалению, большая часть редких металлов в земной коре — более 99,9 %, а возможно, и не менее 99,99 % — входит в состав породообразующих минералов в виде примесей. Десятая доля процента (а может быть, и меньше) приходится на рудные минералы, которые можно обогащать. К счастью,рудные минералы имеют тенденцию накапливаться в небольшом объеме горных пород — в рудных месторождениях; это позволяет надеяться, что в конце концов большинство рудных минералов, заключенных в земной коре, будут нами найдены и добыты.
Замещение одних атомов другими может иметь место во всех типах минералов, а не только в силикатах. В некоторых условиях подобное замещение даже полезно. Такие элементы, как серебро и кадмий, которые из-за низкой распространенности редко образуют самостоятельные минералы и еще реже месторождения, получают в виде побочного продукта из рудных минералов меди, свинца и цинка, в которых они замещают эти элементы. Серебро, например, обычно замещает медь в тетраэдрите Си 12864813 и халькозине Cu2S, а свинец — в галените PbS. Получение
серебра в виде побочного продукта настолько широко вошло в практику, что в 1982 г. из 25 крупнейших продуцентов серебра в США 15 производили свинец, медь и цинк и лишь 10 — только серебро. Различие в переработке силикатов и сульфидов заключается в том, что сульфиды плавятся легче.
Рудные месторождения редких металлов. Рудные месторождения — это минеральные месторождения, из которых можно с выгодой извлекать один или более полезных компонентов. Нами уже рассматривались две существенно важные особенности рудных месторождений: 1) они представляют собой локальные объемы, в которых содержания некоторых элементов во много раз превышают их средние содержания в земной коре; 2) они представляют собой скопления специфических рудных минералов. Нефтяные залежи, угольные пласты и железные шляпы слоистых железорудных формаций являются примерами руд, но с редкими металлами связаны специфические проблемы, заслуживающие особого обсуждения.
Месторождения руд редких металлов могут иметь четкие границы, такие, как контакты рудных жил, или нечеткие, постепенные, как это наблюдается на некоторых медных месторождениях, где процентные содержания металла изменяются от среднего для данной руды до среднего для вмещающих руду пород на расстоянии в несколько десятков и не более чем сотен метров. Многие месторождения напоминают пирог с изюмом. По размерам они обычно меньше месторождений распространенных металлов. Например, крупные медные месторождения имеют запасы, равные 1(г—107 т меди, в крупнейшем из известных медных месторождений содержится не более 5*107 т Си. Для сравнения укажем, что запасы многих железорудных месторождений превышают 109 т металла. Максимальные размеры месторождений редких металлов и число крупных месторождений каждого металла, по-видимому, связаны с их распространенностью в земной коре (рис. 6-4). Причины такой взаимосвязи до сих пор не объяснены, но они определяют степень концентрации, необходимую для того, чтобы месторождение редких металлов
Рис, 6-4. а — запасы крупнейшего месторождения любого из редких металов примерно пропорциональны содержанию данного металла в земной коре; б — чем ниже отношение содержания металла в руде к его содержанию в безрудной породе и чем выше его распространенность в земной коре, тем более вероятно образование крупных месторождений этого металла. Число месторождений с запасами редких металлов в миллионы тонн и больше пропорционально содержанию этих металлов в земной коре. Отметим, что на обоих графиках масштаб логарифмический.
стало пригодным для разработки. Чем меньше распространен металл в земной коре, тем больше должна быть степень концентрации и тем менее вероятно одновременное возникновение в определенной зоне условий, создающих эту концентрацию.
Открытие месторождений редких металлов. Когда на новых площадях ведутся исследования и поисковые работы, динамика показателей следует модели, изображенной на рис. 6-5. На начальной стадии поисков число открываемых месторождений и, следовательно, число работающих рудников (кривая А) стремительно растут. Однако, по мере того как отрабатываются более мелкие рудники, темпы открытия новых месторождений лишь ненамного опережают темпы истощения запасов и закрытия рудников. Постепенно число работающих рудников начинает сокращаться и, в конце концов, должно стать равным нулю (хотя нет ни одной страны, которая приблизилась бы к этой точке). В период активной деятельности добывающих
Время —=►
Рис. 6-5. Стадии развития эксплуатации месторождений, производства и импорта металла в индустриальных странах. Кривая А, представляющая собой количество действующих рудников, быстро взмывает вверх с началом опоискования новых площадей, но постепенно теряет высоту, когда разработка месторождений опережает по темпам открытие новых перспективных, участков:. Кривая Б, характеризующая производство металла, также сначала поднимается, а затем падает в соответствии с разработкой: и исто- щением запасов месторождения. Кривая В, отражающая^ импорт металла, показывает, что любое государство с истощением запасов и следующим за ним снижением производства вынуждено соответственно увеличивать импорт. Вертикальными (заштрихованными), полосами показано современное состояние трех индустриальных стран; в историческом развитии каждая из них пройдет свой путь, двигаясь по оси времени слева- направо. Например, Великобритания находилась в положении США в конце XIX в., в это же время США занимали позицию, соответствующую современному положению СССР.
предприятий производство растет (кривая Б), хотя и с запаздыванием по отношению к линии числа работающих рудников, так как месторождение должно быть открыто прежде, чем оно начнет разрабатываться. Кривая производства металла падает до нуля, когда закрывается последний рудник. В индустриальных стра- н-ах, где Металл производится для внутреннего потребления, повышающийся спрос неизбежно приводит к осложнениям в связи с невозможностью его удовлетворения продуктами собственного производства. Поэтому увеличивается импорт (кривая В), и со временем во* все возрастающем количестве металл ввозится из-за границы.
Кривые на рис. 6-5 подтверждаются историческими фактами. Для сравнения здесь нанесены данные по трем развитым 'индустриальным странам. Когда европейцы начали широкомасштабные поиски в обеих Америках, Африке, Азии и Австралии, они обнаружили большое количество рудных месторождений. Задолго до того успех сопутствовал таким же поискам и в самой Ецропе, но, как было отмечено Р. Дж. Форбсом, рудники, ныне работающие в районах Европы, некогда входивших в состав Римской империи, расположены в зонах минерализации, известных римлянам и разрабатывавшихся ими. Исключение составляют месторождения алюминия и хромитов, с которыми римляне не знали, что делать. Несмотря на пристальное внимание и энергичные поиски, ни одного нового рудного района не было открыто за последние 2000 лет. История наводит на мысль, что этому пока единственному образцу развития последуют все страны. Подобное уже характерно для США, где в густонаселенных и хорошо изученных восточных штатах новые открытия крайне редки, а в западных штатах темпы открытия заметно пошли на убыль. То же самое наблюдается в странах, которые ориентируются на импорт (табл. 6-2).
Поскольку слабо опоискованных участков ла земле становится все меньше, необходимо активно развивать чувствительные методы поисков руд, перекрытых наносами и другими горными породами, а также разрабатывать критерии прогнозирования участков поисков в тех местах, где вероятность обнаружения месторождений наибольшая. Многие месторождения имеют тенденцию формироваться на поверхности или в пределах нескольких* тысяч метров от нее. Поэтому научные наблюдения позволяют предположить, что число месторождений, ожидающих своего открытия, будет не увеличиваться с глубиной, а, возможно, даже снижаться. Едва ли это утешительное заключение. Мы нуждаемся в более точных и надежных методах поисков, особенно в случае глубокозалегающих месторождений. Нам необходимо гораздо больше работ для определения потенциальных нетрадиционных ресурсов редких металлов. Успех или поражение в этом направлении будут непосредственно определять использование в дальней-
Таблица 6-2. Импорт некоторых редких металлов в США, СССР, Японию и страны Европейского экономического сообщества (ЕЭС). 100 % означают полную ориентацию на импорт, 0 % — полное удовлетворение нужд промышленности за счет национальных ресурсов. Япония и страны ЕЭС чрезвычайно зависят от импорта, СССР практически полностью обеспечен национальным сырьем, а США занимают промежуточное положение
Металл
США (1982 г.)
Япония (1981 г.)
Страны ЕЭС (1981 г.)
СССР (1982 г.) •
Ниобий
100%
100%
100%
и /о
Марганец
99
97
99
0
Бокситы'
97
100
86
38
Тантал
90
100
100
0
Хром
88
99
97
0
Платина
85
98
100
0
Никель
75
'100
100
0
Олово
72
96
92
24
Серебро
59
58
93
18
Цинк.
53
53
81
0
Вольфрам
48
68
100
14
Золото
43
96
99
0
Железная руда
36
99
90
0
Ванадий
14
78
100
0
Медь
7
99
99
0
Свинец
0
73
74
0
(По материалам Горного бюро США.)
шем редких металлов. Интересно, что некоторые исследования, направленные на решение проблем разработки месторождений на большой глубине, уже проводятся в ряде стран. Сейсмическая техника используется для изучения строения земной коры в целом. Этой же цели служит программа сверхглубокого бурения, которая осуществляется в СССР. Широкомасштабное применение такой техники, несомненно, поможет открытию новых глубокозалегающих месторождений.
Классификация месторождений
Месторождения полезных ископаемых образуются под влиянием ряда факторов, или агентов, обеспечивающих перенос и концентрацию минералов, которые мы обнаруживаем в рудах. Хорошую основу для классификации месторождений дают пять основных концентрирующих агентов, ответственных за образование руд как распространенных, так и редких металлов (табл. 6-3). В гл. 5 мы уже рассматривали неко-
Таблица 6-3. Классификация основных типов месторождений на основе концентрирующего агента■
Концентрирующий агент
Тип месторождения
Рудообразующий минерал или металл
Магма
Пегматитовый Карбонатитовый Магматической сегрегации
Ниобий, бериллий
Ниобий, тантал
Платина, никель, хром
Горячий водный флюид; обычно рассол
Гидротермальный
Медь, свинец, цинк, серебро, золото, молибден, олово
Морская или озерная вода
Морские эвапориты
Озерные эвапориты Хемогенно-осадочный
Хлорид натрия (галит), хлорид калия (сильвин) Бура, карбонат натрия Железо, марганец
Поверхностные воды
Речные россыпи
Морские россыпи
Золото, алмазы Ильменит, рутил, циркон, алмазы
Дождевые воды
Остаточный
Никель, алюминий
торые типы месторождений. Примерами их являются магматические сегрегационные месторождения богатого ванадием магнетита, алюминиевые, железорудные и марганцевые месторождения кор выветривания, россыпные месторождения рутила и хемогенно-оса- дочные месторождения железа и марганца.
Для геохимически редких металлов чрезвычайно важны два дополнительных класса месторождений. В первом из них в качестве концентрирующего агента выступает магма. Некоторые магмы, в частности те, что формируют граниты, зачастую имеют в своем составе несколько процентов растворенной воды. Когда магма кристаллизуется, большинство образующихся минералов оказываются безводными, поэтому остаток магмы постоянно обогащается водой, и в нем накапливаются такие металлы, как литий, бериллий, олово, ниобий, тантал и уран. Если процесс кристаллизации происходит в глубинах недр, обогащенный водой остаточный расплав может мигрировать и застывать в виде небольших тел, сложенных крупнозернистыми породами — пегматитами, которые являются важным источником многих редких металлов. Поскольку пегматиты обычно формируются на больших глубинах (часто более 10 км), наблюдать их можно только в тех местах, где земная кора претерпела воздымание и интенсивную эрозию. Пегматиты известны в большинстве стран мира. Наиболее важные из них расположены в северных Аппалачах, на юге штата Сьерра-Невада (США), в Канаде, Бразилии, странах Центральной и Западной Африки, а также в Западной Австралии.
Другой важный, но более редкий тип магмы в основном состоит из расплавленного кальцита СаСОз. Источник карбонатной магмы пока неясен. Внедряясь в земную кору, она образует горные породы, называемые карбонатитами, в которых часто наблюдаются значительные концентрации минералов тантала и ниобия, а также группы элементов, носящей название редких земель. Карбонатиты обнаружены на всех континентах, но наиболее значительные их массивы открыты в Канаде, США (особенно редкоземельные карбонатиты), ЮАР и Бразилии.
Вторым и несомненно наиболее важным классом месторождений, в которых концентрируются редкие металлы, является класс гидротермальных месторождений. Они образуются благодаря нагретым водам, содержащим в своем составе растворенные соли, чаще всего хлорид натрия Nad. Эти воды являются эффективным растворителем некоторых сульфидных и оксид-
ных рудных минералов. Вода в гидротермальные растворы может поступать из остывающей магмы так же, как это имеет место при формировании пегматитов: кроме того, растворы могут пополняться водой с поверхности — морской или дождевой. В этом случае вода просачивается по трещинам и порам на большие глубины, нагревается и превращается в гидротермальный раствор. Химический состав воды в таких растворах контролируется составом горных пород, с кото-
jR»c. 6*6. Газово-жидкое включение, захваченное во время роста кристалла кварца в гидротермальной жиле. Включение длиной всего 0,005 см в момент образования было заполнено гомогенной жидкостью, которая после захвата охлаждалась и уменьшалась в объеме с образованием в определенный момент пузырька газа. При еще более низких температурах из раствора выделились мелкие кристаллики соли. (С разрешения Эдвина Рёддера.)
рыми они взаимодействуют. По этой причине растворы не всегда сохраняют свой первоначальный химический состав. При движении через породы растворы охлаждаются или вступают в химические реакции, что вызы-
вает отложение большей части растворенного в них минерального груза, в результате чего образуются гидротермальные месторождения. Мельчайшие порции таких растворов нередко захватываются кристаллизующимися гидротермальными минералами в виде газово-жидких включений (рис. 6-6).
? Гидротермальные растворы могут оказаться в самых разнообразных геологических обстановках, поэтому геологи нередко классифицируют гидротермальные месторождения на основе окружающих их обстановок. Такая схематическая классификация приведена на рис. 6-7, Для того чтобы в равной степени оценить
ИСТОЧНИКИ ВОДТИПЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Рис. 6-7. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая наиболее важные геологические обстановки, в которых образуются гидротермальные месторождения. Воды гидротермальных растворов могут иметь различные источники.
важность различных способов образования месторождений и значение самих гидротермальных месторождений, рассмотрим специфические группы геохимически редких элементов.
Классификация редких металлов
При формировании месторождений редкие металлы образуют минералы различного состава и свойств,
на основе чего их можно разбить на три группы. Первая включает медь, свинец и цинк, Образующие обычно сульфидные минералы. Во вторую входят золото и платина, существующие, как правило, в виде самородных металлов. Третья группа состоит из вольфрама, тантала, олова, бериллия и урана, образующих оксиды и силикатные минералы. Отмечается, однако, некоторое перекрытие групп — олово, например, может образовывать сульфиды и может входить в состав оксидов, но принятое подразделение основано на главных и наиболее важных минералах элемента.
Редкие металлы, образующие сульфидные месторождения
Число металлов, накапливающихся в сульфидных месторождениях, велико — медь, свинец, цинк, никель, молибден, серебро, мышьяк, сурьма, висмут, кадмий, кобальт, ртуть, а также ряд еще более редких металлов, которые встречаются в виде примесей в минералах более распространенных редких металлов. Мы рассмотрим здесь только самые важные металлы.
Медь. Этот металл используется человеком с античных времен, а в настоящее время является основой электротехнической индустрии, поскольку он представляет собой замечательный проводник тока| Медные месторождения имеют широкое распространение, но большую их часть составляют гидротермальные месторождения, содержащие до 1 млн. т металла или меньше. Миллион тонн — это слишком мало для-современного горнодобывающего предприятия. Вместе с тем эти месторождения зачастую имеют исключительно богатые руды, содержащие более 10 % меди. До начала двадцатого столетия такие месторождения были основой мирового производства меди; в связи с высокой стоимостью отработки руд подземными горными выработками минимальное промышленное содержание меди, при котором, добыча была рентабельной, составляло 3 %. Медь и сейчас добывается на всех континентах, однако с открытием и началом эксплуатации крупных и дешевых в разработке медно-порфировых
Б. Скиннер
Рис. 6-8. Вид с высоты птичьего полета на рудник Моренси- Оупен-Пит (шт. Аризона, США). Здесь корпорацией Фелпс- Додж ведется добыча медно-порфировых руд. Насколько громаден карьер, можно судить по изображению строений в левой части снимка. (С разрешения корпорации Фелпс-Додж.)
месторождений значение небольших месторождений постепенно снижается.
Медно-порфировые месторождения относятся к классу гидротермальных и для них характерно низкое качество руд; они содержат по меньшей мере 5 млн. т руды, а часто и значительно больше, но среднее содержание меди в них менее 2 %. Главными рудо- образующими минералами являются .халькозин CusS и,/ил и халькопирит Сш-Бег, которые настолько равномерно распределены, что могут разрабатываться крупномасштабными и, следовательно, эффективными рудниками. Разработка месторождений обычно осуществляется громадными карьерами (рис. 6-8). Масштабность добычных работ позволяет на некоторых рудни-
Рис. 6-9, Минимальные? промышленные содержания меди в рудах, при которых до- быча еще рентабельна^ по- ^ степенно снижаются по мере; о открытия крупных месторожг | дений дешевых руд и с раз- £ витием более мощных и эф- g- фективных добычных машин. § Однако такая зависимость ° присуща не всем металлам, что, возможно, связано с отсутствием месторождений, подходящих; для крупномасштабных способов добыч». (По материалам Горного бюро США.)
ках добывать руды с содержанием меди вплоть до 0,38 % (рис. 6-9). Медно-порфировые месторождения всегда связаны с магматическими породами, которые имеют характерную порфировую структуру — когда в изверженной горной породе крупные кристаллы кварца или полевого шпата заключены в мелкозернистой массе минералов. Большие объемы вмещающих месторождение пород, как правило, интенсивно деформированы — разрушены, смяты и раздроблены на мелкие куски;- сквози такие зоны минерализующие растворы легко находили себе путь. Трещиноватость и оруденение могут наблюдаться либо в- интрузивных, либо в окружающих горных породах, а иногда — в тех и других; они кажутся порождением; мощных вулканических сил. Теперь уже ясно, что это действительно? так, поскольку зоны формирования порфировых месторождений тесно связаны с областями вулканизма и, как правило, располагаются под конусами страта вулканов (рис. 6-10). Примеры стратовулканов можно видеть на Алеутских островах,, в Андах, Японии, Мексике, в горах Большого Каскада и на Филиппинах. Вулканические структуры легко эродируются, и,, вероятно, многие медно-порфировые месторождения были полностью уничтожены эрозией. Сохранившиеся месторождения отличаются юным геологическим возрастом — большинству из них менее 200 млн. лет,, а некоторые моложе 2 млн. лет. Нередко в пределах какого-нибудь географического региона отмечается более
Рис. 6-10. Идеализированный разрез через стратовулкан, показывающий конвективные потоки гидротермальных растворов, границы гидротермально-измененных пород и положение минерализованной зоны, в которой формируются медно-порфировые месторождения. (Sillitoe, 1973, с упрощениями.)
высокая концентрация месторождений. Такие регионы называют металлогеническими провинциями (рис. 6-11). Многочисленные медно-порфировые месторождения обеих Америк образуют ярко выраженную металло- геническую провинцию, которая практически параллельна границам сходящихся плит земной коры, так как появление стратовулканов можно, по-видимому, объяснить лишь прямым или косвенным магмообразо- ванием в погружающейся вдоль зоны субдукции литосферной плите.
Первым из медно-порфировых месторождений было обнаружено месторождение в каньоне Бингем (шт. Юта). Оно разрабатывается до сих пор и является крупнейшим в США поставщиком меди. Д. К. Джак- линг и Р. К. Джеммелл в 1899 г. высказали смелую для того времени идею о возможности валовой добычи медных руд с низким содержанием металла; тогда она была встречена скептически, но оказалась весьма плодотворной. Уже в 1907 г. была построена дробильная фабрика, которая имела по тем временам огромную производительность — 6 тыс. т в день. Сегодняшняя производительность превышает 110 тыс. т. К настоящему времени открыто несколько сотен медно-пор-
Рис. 6-11. Медно-порфировые месторождения Северной и Южной Америки составляют отчетливую металлогеническую провинцию, которая параллельна западной границе континента. Другой пояс таких месторождений выявляется на тихоокеанских островах.
афировых месторождений; особенно много их в обеих Америках, но известны они в СССР, Иране и Югославии, а недавно выявлены на Филиппинах, в Новой Гвинее и на островах Тихого океана. Есть основания полагать, что в наши дни, как й миллионы лет назад, продолжается формирование новых медно-порфировых месторождений под некоторыми действующими вулка- нами.|Как это ни невероятно, но вынашиваются планы буреиня скважин на некоторых действующих вулканах с тем, чтобы найти месторождения, однако еще более невероятной представляется возможндстБ когд^ни-
будь начать добывать руду на склоне активного вулкана.
Вторым главным типом медных месторождений являются так называемые стратиформные месторождения. Они, очевидно, образовались в процессе хемо- генного отложения обогащенных медью осадков или в результате химического замещения в сланцевых толщах вскоре после их отложения. Стратиформные месторождения названы так потому, что они представляют собой отдельные, обогащенные медью горизонты, залегающие согласно со слоистостью вмещающих пород. Они имеют разнообразный геологический возраст и широкое географическое распространение. Каждое стратиформное месторождение характеризуется существенными особенностями, отличающими его от других представителей этого же класса. Неизвестно, чтобы обогащенные медью осадки формировались в наши дни, поэтому процесс образования таких месторождений, который мы не можем наблюдать непосредственно, по-прежнему окружен завесой нерешенных вопросов.
Наиболее известные и давно эксплуатирующиеся стратиформные месторождения сформировались в пермское время в Центральной Европе. Так как они почти не затронуты метаморфизмом, их изучение дает ценную информацию о происхождении стратиформных месторождений. Примерно 250 млн. лет назад в пермскую эпоху образовался гигантский около 50 000 км2 бассейн — мелководное Цехштейновое море, в котором накапливались богатые органикой пласты глин с необычно высоким содержанием сульфидов меди, свинца и цинка (рис. 6-12). После консолидации глины превратились в так называемые медистые сланцы, мощность которых редко превышает 60 см. Оруденение распределено в них неравномерно: увеличение содержаний меди, свинца и цинка наблюдается на ограниченных площадях в восточной и центральной частях бассейна (территории ГДР и Польши). До конца неясно, осаждались ли сульфиды металлов вместе с глиной или они образовались в процессе захоронения глин сразу же после их осаждения, когда в закрытой системе происходили многие химические и физические
Рис. 6-12. Очертания мелководного Цехштейнового моря, в котором в пермский период отложился тонкий слой меденосных осадочных пород, называемых медистыми сланцами. (По данным R. Brinck- mann, 1960.)
процессы изменения органического и минерального вещества. Есть основания считать, что изначально слой медистых сланцев содержал только тонкозернистые кристаллики сульфидов железа. Спустя некоторое время после захоронения в глины в виде хлоридов попадали небольшие количества меди, свинца и цинка, привнесенные рассолами, которые просачивались через пористый песчаник, подстилающий медистые сланцы. Рассолы вступали в реакции с сульфидами железа и замещали их теми минералами, которые мы находим в рудах. Процесс замещения во многом подобен тому, как железный гвоздь в растворе хлоридов меди постепенно превращается в медный гвоздь.
После образования руд медистые сланцы испытали лишь метаморфизм низкой ступени. Аналогичные месторождения известны и в докембрийских осадочных породах, но их первоначальный облик чрезвычайно изменен интенсивным метаморфизмом, поэтому свидетельства, имеющие отношение к происхождению руд, более чем проблематичны. В Соединенных Штатах Америки наиболее известным является месторождение Уайт-Пайн (шт. Мичиган). По многим своим чертам оно' похоже на медистые сланцы, в том числе и на-
личием грубозернистых подстилающих горных пород. Детальное изучение этого месторождения показало, что руды имеют вторичное, или постседиментационное, происхождение; преобразующие флюиды, необходимые для процесса замещения, вероятно, поступали с глубоких горизонтов, представленных базальтовыми лавами, которые известны сейчас под озером Верхнее. Большое значение имеет также Джезказган-Карсак- пайская группа месторождений в Казахстане. Однако наиболее значительные месторождения этого типа составляют Медный пояс Замбии. Эти месторождения приурочены к осадочным породам, сформировавшимся вдоль древней береговой линии примерно 700 млн. леФ назад; Они образуют вытянутую зону (рис. 6-13),
^ис. 6-13. Медный пояс Замбии и медно-кобальтовая провинция Шаба в Заире содержат ряд своеобразных слоистых медных месторождений. Месторождения медного пояса Замбии залегают в осадочных породах, образовавшихся вдоль докембрийской береговой линии. Месторождения Заира близки по возрасту, но их образование не связано с древней береговой линией.
состоящую из двух частей: северная — расположена в Заире, а южная — в Замбии; обе они представляют собой один из самых богатоминерализованных рай-
онов мира. Месторождения Медного пояса Замбии сходны со стратиформными месторождениями других районов, но многие особенности их происхождения до сих пор неясны.
Более 50 % , мирового производства меди связано с эксплуатацией медно-порфировых месторождений, а 20 % — со стратиформными месторождениями, в основном замбийскими. Остальная часть приходится на месторождения других типов, которые широко распространены и позволяют большинству стран производить в небольших количествах собственную медь.чКроме уже рассмотренных месторождений, наиболее важным классом являются вулканогенные месторождения массивных сульфидных руд, которые имеют гидротермальное происхождение. Как показали исследования, они локализуются в вулканогенных породах, формировавшихся в подводных условиях. Образование этих месторождений, по-видимому, аналогично образованию железорудных месторождений типа Алгома (гл. 5), однако в случае редких металлов руды месторождений почти нацело сложены сульфидами меди, железа, свинца и цинка (отсюда и название— мас- сивные) I Нередко эти месторождения очень богаты, но по размерам они в среднем меньше медно-порфировых иГ стратиформных. Вулканогенные месторождения массивных сульфидных руд широко распределены в пространстве и времени; как выяснилось, они образуются и сейчас, например на дне вдоль Восточно-Тихоокеанского поднятия. В районах активного вулканизма морская вода проникает в трещины еще горячих базальтовых лав, реагирует с ними и экстрагирует такие металлы, как железо, медь и цинк. Затем она поднимается к поверхности дна и изливается в виде горячих металлоносных рассолов. Встречаясь с холодной водой, растворённые в рассолах металлы выпадают на дно с образованием массивных сульфидных РУД. ? .
В 1982 г. 56 стран производили и продавали медь
1 Из-за обилия в этих рудах сульфидов, часто именуемых колчеданами, советские геологи называют такие месторождения колчеданными.— Прим, перев.
на международном рынке, при этом 75 % мирового производства меди (табл. 6-4) приходится на долю
Таблица 6-4. Главные страны — продуценты меди и ее запасы в 1982 г.
Страна
Производство Си, тыс. т
Заласы Си, млн. т
Чили
1190
97
США
1100
90
СССР
950
36
Канада
640
32
Замбия
J 40
34
Заир
480
30
Перу
350
32
Польша
340
13
Австралия
250
16
47 других стран
1940
131
7780
”бИ
(По данным Горного бюро США.)
всего 9 стран, которые разрабатывают в основном медно-порфировые и стратиформные месторождения.
Возникает вопрос — каково будущее меди, если ее годовое производство близко к 8 млн. т, а потребление неуклонно возрастает? Как видно из табл. 6-4, запасы меди достаточно велики, а потенциальные ресурсы еще больше, однако если учесть, что период удвоения потребления меди составляет 15 лет, то выяснится, что кроме известных на сегодня запасов, к 2000 г. понадобится еще несколько сотен миллионов тонн. А каково положение с потенциальными ресурсами? Их трудно оценить, так как приходится учитывать месторождения, которые еще предстоит открыть, но прежний опыт не обнадеживает — разве что произойдут открытия на ранее не опоискованных территориях. Новые месторождения, несомненно, будут найдены, а некоторые действующие могут оказаться крупнее, чем мы думаем. Благодаря успешным поискам в 1972—1982 гг. мировые запасы меди удвоились. Несмотря на это, многие специалисты не склонны увеличить оценки потенциальных
ресурсов меди в традиционных месторождениях более чем до миллиарда тонн. По самым грубым прикидкам, это эквивалентно такому числу месторождений, которые были обнаружены за всю историю использования меди. Не исключено, что богатейшие месторождения ждут своего открытия на широких просторах СССР восточнее Урала, в Южной Америке или в юго-западных районах США на больших глубинах под более молодыми перекрывающими породами.
Потенциальные ресурсы нетрадиционных источников меди оценить еще труднее. Содержание меди в железомарганцевых конкрециях на дне океанов довольно высокое (иногда до 2 %), в связи с чем можно ожидать, что со временем, возможно через десятилетие, они перейдут в категорию руд. Оценки общих извлекаемых, представленных конкрециями ресурсов меди не более чем простые предположения. Но если всего ГО % из 2-1012 т конкреций на дне Тихого океана в среднем содержат примерно 0,5 % меди, то в общем получается ГО9 т меди, которые равны сумме всех известных ее запасов и потенциальных ресурсов. Другие потенциальные ресурсы менее очевидны. При содержаниях ниже 0,1/% медь присутствует в горных породах в виде изоморфной примеси в силикатных минералах. Продолжающееся снижение промышленных содержаний меди приближает нас к минералогическому барьеру, преодоление которого потребует радикально новой технологии и больших расходов энергии. Кривая на рис. 6-9 имеет предел, и ее неопределенное продолжение в будущее не дает повода для особых надежд. В целом же обеспеченность медью вполне удовлетворительна на ближайшие 25 лет (а возможно и более с учетом вторичного сырья), но на более длительный период она неясна. Возрастающие цены, вероятно, позволят преодолеть технологический и энергетический барьеры, которые мы предвидим, но неопределенность предсказания будущего меди столь же характерна, как и для большинства других редких металлов..
Свинец и цинк. Рудные минералы свинца и цинка образуют в природе тесную ассоциацию, поэтому имеет смысл описать их вместе. Для каждого из них сущест-
вует практически единственный минеральный вид — галенит PbS и сфалерит ZnS, которые составляют основу мирового производства соответственно свинца и цинка. Свинец используется главным образом в производстве электрических батарей и аккумуляторов, а также тетраэтила свинца, добавляемого в бензин в качестве антидетонационной добавки. Кроме того, свинец находит достаточно широкое применение в строительной индустрии, производстве красителей, в электротехнике и военной промышленности. Цинк до конца XIX в. применялся в основном как составная часть латуни, теперь сфера его применения значительно расширилась. Более 50 % продукции цинка идет на производство материалов для упаковки скоропортящихся продуктов питания и для антикоррозионного покрытия изделий из железа и стали.
Так же как й для меди, промышленное значение имеют три типа месторождений свинца и цинка: два из них — совершенно разные — относятся к гидротермальным месторождениям, а одно — к стратиформным. В каждом случае рудные тела характеризуются высоким Содержанием металла, но ограниченными размерами; кроме того, их часто приходится разрабатывать дорогим подземным способом. Крупных месторождений низкосортных руд свинца и цинка типа медно-порфировых не обнаружено.
Одной из важнейших разновидностей гидротермальных месторождений, особенно цинковых, являются вулканогенные гидротермальные месторождения массивных сульфидных руд. Они похожи на аналогичные медные месторождения тем, что также являются продуктами подводного вулканизма. Многие месторождения массивных сульфидных руд, такие, как знаменитые руды Куроко, разрабатываются на медь, свинец и цинк. Напротив, практически лишены меди одни из самых важных и необычайно разнообразных типов гидротермальных месторождений, являющихся известным поставщиком свинца и цинка; это месторождения миссисипского типа, входящйе в одноименную металлогеническую провинцию, которая
протянулась от штатов Огайо и Миссури до штанга Висконсин (США) и во многом совпадает с бассейном реки Миссисипи. Аналогичные месторождения установлены в ряде стран Европы и северной Африки, в северной Австралии, СССР и совсем недавно в пределах Северо-Западных территорий Канады, где месторождение Пайн-Пойнт оказалось едва ли не самым крупным из когда-либо открывавшихся месторождений этого типа.
Породы, вмещающие месторождения миссисипского типа, представлены известняками различного возраста. Растворы, содержащие редкие металлы, по-видимому, выщелачивали известняки и медленно отлагали галенит со сфалеритом, которые часто встречаются в виде правильных и очень красивых кристаллов (рис. 6-14). Месторождения, как правило, удалены от очагов магматической активности, которые обычно служат источниками гидротермальных растворов. Как установлено в последние годы при изучении газово-жидких включений, гидротермальные растворы представляли собой рассолы, близкие по составу к встречающимся на нефтеносных площадях. Эта информация, а также сведения о приуроченности месторождений миссисипского типа к окраинам глубоких бассейнов осадконакопления являются веским аргументом в пользу того, что растворы поступали из таких бассейнов по мере уплотнения формирующихся в них осадочных толщ. Пока не доказано, что подобные месторождения образуются в настоящее время, но весьма вероятно, что это имеет место, поскольку нефтяные скважины нередко проходят через резервуары рассолов, которые могут быть рудоносными .
Добыча свинца и цинка из стратиформных месторождений постоянно возрастает. Ярким примером таких образований являются все те же медистые сланцы, в которых в наиболее глубоких частях бассейна Цехштейн в благоприятной обстановке накапливались сульфиды свинца и цинка вместо сульфидов меди.
Рис. 6-14. Крупные, хорошо ограненные кристаллы галенита PbS из месторождения миссисипского типа вблизи Пичера (шт. Оклахома, США) позволяют предположить, что кристаллы росли достаточно медленно и практически не подвергались стрессам, столь характерным для большинства гидротермальных месторождении. Ребра кубов галенита на снимке имеют размер 5 см.
Несмотря на низкое содержание металлов, эти медистые сланцы разрабатываются на свинец и цинк во многих местах бассейна. Большинство свинцово-цинковых месторождений, так же как и медных, образовались в докембрийское время, и сейчас предстают перед нами настолько измененными процессами метаморфизма, что создается обманчивое представление об их происхождении. Одно очень крупное месторождение— Салливан — расположено и Кимберли (Британская Колумбия), а три крупнейших месторождения этого же типа находятся в Австралии. Первое, называемое сокращенно Эйч-Уай-Си (по английским буквам Н. Y. С.), практически не изменено процес-
сами метаморфизма и расположено на крайнем? севере страны недалеко? от Мак-Артур-Ривера Эй^Уай-С® имеет много черт, характерный для первична осадочного? месторожденияу однако детальное изучение показывает, что руды могли образоваться и в результате реакции циркулировавших: рассолов с сульфидами железа в: богатых органикой сланцах. Второе месторождение — Брокен-Хилл находится в засушливой западной части Нового Южного Уэльса, а третье — Маунт-Айза залегает в нескольких сотнях километров севернее в Квинсленде. Они представляют собой не только два самых крупных месторождения, но и относятся к числу наиболее богатых по содержанию полезных компонентов. Например, в некоторых участках руды месторождения Брокен-Хилл содержат по 20 % и более свинца и цинка.
В производстве свинца и цинка доминируют" 5? стран (табл. 6-5) . Запасы этих металлов, вероятно, не вполне
Таблица 6-5. Ведущие страны — продуценты свинца и цинка и их ресурсы (1981 г.)
Страна
Свинец
Цинк
Производство,, тыс. т
Ресурсы, млн. т
Производство, тыс. т
Ресурсы, млн. т
США
. 51 а
25
300
51
Австралия
450
23
620
24
Канада
335
22
1165
62
Перу
210
<
535
7
Мексика
155
5
230s
3
Страны мира в целом
3450
146
6160
243
(По материалам* Горного бюро# США»);
точные, так. как по ряду стран нет необходимой информации, а в большинстве других стран учитываются только объемы добываемой руды. Потенциальные. ресурсы,. которые: н по количеству,, и па качеству равны сообщенным. запасам, будут, несомненно, расти
с развитием добычи как на многих разрабатываемых месторождениях, так и на вновь открытых за последние 10 лет. В остальном ситуация с цинком и свинцом аналогична ситуации с медью, но с одним заметным различием. В определенных горных породах, тесно связанных с соляными куполами, и в некоторых разновидностях сланцев, обогащенных органикой и являющихся нетрадиционным источником металлов, установлены потенциальные ресурсы цинка, однако аналогичных ресурсов свинца не известно. В ближайшее время картина относительно свинца и цинка, по-видимому, останется прежней, что же касается отдаленного будущего, то оно более оптимистично для цинка, нежели для свинца.
Никель. Подавляющая часть никеля используется для получения сплавов, отличающихся высокими жаростойкими и электрическими свойствами, а также в производстве нержавеющей стали. Развитие никелевой промышленности связано с технологическими успехами в конце XIX — начале XX в. Плавка и обработка этого металла настолько сложны, что старые немецкие горняки, путавшие нередко из-за внешнего сходства медные и никелевые сульфидные руды, называли его kupfernickel ^нем. Kupfer — медь, Nickel — горный дух, якобы заколдовавший медную руду и сделавший невозможной ее переработку). Заблуждения шахтеров сохранились в названии элемента (никель).
Существуют два класса месторождений, из которых извлекают никель. Первый — это месторождения пентландита, который обычно присутствует в залежах, образовавшихся в процессе магматической сегрегации; из них извлекается большая часть металла в Канаде, СССР и Австралии (табл. 6-6). Второй класс месторождений — это коры выветривания определенных изверженных горных пород, образующиеся в условиях тропического или субтропического климата. Мы уже упоминали о возможности изоморфного вхождения никеля в оливин. Выветривание переводит этот никель в поверхностные воды, и при определенных условиях он переотлагается в виде слаборастврримых никелевых силикатов (рис. 6-15), таких, как гарниерит
Таблица 6-6. Ведущие страны — продуценты никеля и его запасы (1981 г.)5
Страна
Производство, тыс. т
Запасы, млн. т
Канада
176
7,8
СССР
174
7,3
Новая Каледония
86
13,6
Австралия
82
5,1
Куба
42
3,1
Филиппины
33
5,2
Страны мира в целом
784
56,1
(По материалам Горного бюро США.)
(H4N13S12O9) — минерал, названный в честь французского ученого Гарнье/ впервые открывшего богатые никелевые руды этого типа в Новой Каледонии. Обогащение никелем, которое столь трудоемко для человека, было, таким образом, осуществлено природой в результате длительного выветривания.
Таким образом могут, конечно, сформироваться руды, сложенные одним гарниеритом, однако обычно при тропическом выветривании образуются латериты, обогащенные железом, в которых содержание никеля не превышает 1 %. Такие месторождения широко распространены в тропической зоне Земли, и железоникелевые латериты, представляющие собой пока еще потенциальные ресурсы, насчитывающие сотни миллионов тонн никеля, открыты уже на Кубе, Филиппинах, в Греции, на острове Калимантан и в других местах. Разрабатываемые в настоящее время в штате Орегон (США), на Кубе и в Новой Каледонии никеленосные латериты вместе с сегрегационными магматическими месторождениями составляют потенциальные ресурсы никеля, которые, по-видимому, удовлетворят наши потребности и в далеком будущем.
Молибден. Молибден, так же как и никель, добавляется в стали и придает им прочность и вязкость. Впервые широкое применение молибден получил при изготовлении броневых щитов и бронебойных снаря-
Зонаобогащенногожелезомлатерита
Поверхность
т- +
Зона измененных перидотитов и повышенных концентраций никеля
Нисходящая миграция высвобожденного никеля
Зона неизмененных < перидотитов
Рис. 6.15. Химическое выветривание никеленосных пород, например перидотитов, сопровождается выносом никеля, содержащегося в оливине; оливин превращается в другой минерал — гарниерит. Остаточные руды (называемые также рудами кор выветривания) такого типа разрабатываются в Новой Каледонии и на Кубе. (Подданным Е. de Chetalat, Bull. Soc. GeoL. France, Ser. 6e, VoL XVH, 1967, p. L29, Fig. 4.)
Граница разделения никеля» ®Ге^ и остаточного -z у железа
h-H
4 МЛ
дов во время первой мировой войны. Он и, сейчас широко, используется^ для получения сплавов, от которых требуется высокая прочность на сжатие и устойчивость при высоких температурах.
Источником практически всего молибдена является единственный: минерал — молибденит M0S2, однако оценить его мировые запасы сложно, так как
он распространен крайне неравномерно. Значительная часть молибдена — около 25 % современного мирового производства — получается в виде побочного продукта при переработке медно-порфировых руд. Содержание молибдена в них низкое (0,01—0,04%), но запасы огромны, к тому же обогащение молибденита методом флотации настолько дешево, что его извлечение выгодно на многих предприятиях по переработке медно-порфировых руд.
Главным источником молибдена в настоящее время являются и, по-видимому, таковыми останутся в будущем молибденовые месторождения, имеющие много общих геологических черт с медно-порфировыми месторождениями. Их часто называют штокверковыми месторождениями, поскольку молибденит приурочен к мириадам тончайших трещинок и прожилков, пронизывающих массивы порфиров. Такие месторождения встречаются в металлогенической провинции, протянувшейся от Мексики до Аляски параллельно описанной выше медно-порфировой провинции (рис. 6-11).
Одно из месторождений—Клаймакс (шт. Колорадо, США) на протяжении 50 лет обеспечивало почти 50 % мирового производства молибдена; сегодня вместе с другим американским месторождением — Гендерсон — оно обеспечивает 40 % мирового производства металла. Такая жесткая зависимость уровня добычи от двух месторождений чревата серьезными последствиями, но ъ ^настоящее время положение улучшается в связи с развитием широкомасштабной добычи на других месторождениях Канады и США.
В 1982 т. в мире было произведено примерно 90 тыс. т молибдена. При таких темпах потребления, а также принимая во внимание, что мировые запасы молибдена составляют 6 млн. т плюс громадные потенциальные ресурсы США, можно считать, что человечество обеспечено молибденом на многие годы вперед.
Серебро. Большое внимание, уделяемое серебру, связано с его использованием в качестве валюты, в ювелирной промышленности и для денежного (монетного) обращения. Существующий дефицит серебра
возник из-за непомерных потребностей индустрии, а именно электротехнической промышленности и производства фотоматериалов^1 Их запросы всегда превышают доступные запасы, которые невозможно расширить, чтобы удовлетворить все потребности.
| Вскоре после открытия Колумбом Нового Света в Центральной и Южной Америке были обнаружены крупные месторождения серебра. До наших дней месторождения Кордильер, от Аляски до Огненной Земли, остаются его главным источником. Многие десятилетия страны Американского континента поставляют более 55 % всего серебра ежегодно. Большая часть оставшихся 45 % приходится на Австралию и СССР, и совсем невелика продукция стран Азии и Африки.
Обычно серебросодержащие минералы встречаются в гидротермальных жильных месторождениях, где они либо ассоциируются с минералами меди, свинца и цинка, либо серебро входит в виде изоморфной примеси в минералы свинца и меди. И лишь небольшая доля серебросодержащих месторождений настолько богата серебром, что их можно разрабатывать исключительно ради этого благородного металлаЯВ этом-то и заключается проблема серебра — большая^часть этого металла извлекается попутно с медью, свинцом и цинком, и темпы их производства строго контролируют количество получаемого серебра.) Хотя в последнее время были открыты новые месторождения серебра, подавляющая его часть по-прежнему получается попутно, в связи с чем производство не может быть расширено настолько, чтобы удовлетворить растущие потребности. С 1965 г., когда правительство США изъяло из обращения серебряные деньги, цены на серебро неуклонно растут и будут оставаться высокими, если не будут обнаружены новые запасы серебра. Вероятность таких открытий невелика. Рост цен на серебро может привести к тому, что неэкономичные прежде^ руды станут прибыльными, и добыча их на старых рудниках возобновится, однако едва ли производство серебра возрастет настолько, что сможет удовлетворить все потребности. Более вероятно, что в будущем сократятся сферы применения серебра, так как ограниченность запасов приведет к столь высоким
ценам, что везде, где только мон^но, будут стараться использовать заменители серебра.I
Другие редкие металлы, образующие сульфиды. Редкие металлы, которые встречаются преимущественно в виде сульфидов, не заслуживают особого обсуждения. Как правило, мелкие их месторождения имеют широкое распространение, а ресурсы, по-види- мому, достаточны для удовлетворения потребностей в обозримом будущем. И все-таки следует отметить ртуть.
Большая часть мирового производства ртути приходится на один минерал — киноварь HgS, которая встречается в тонких гидротермальных жилах некоторых вулканогенных областей, причем киноварь распределена в рудных телах крайне неравномерно. Все известные месторождения являются близповерхностными, и большинство из них столь малы, что истощаются вскоре после открытия. Главными поставщиками ртути являются Испания, где рудник Альмаден работает уже более 2000 лет, Югославия (месторождение Идрия), Алжир, США и СССР. Некогда крупные месторождения штатов Калифорния и Невада ныне почти отработаны. Известные запасы ртути невелики, а извлечение ее наряду с другими металлами ограниченно. Многие специалисты полагают, что ртуть может стать первым редким металлом, чьи запасы вскоре будут исчерпаны; по некоторым пессимистическим оценкам, это произойдет уже в текущем столетии.
Редкие самородные металлы
Платиноиды. Редкие самородные металлы представлены менее широкой группой месторождений, чем металлы сульфидных минералов. Платина, палладий, родий, иридий, рутений и осмий, называемые часто платиноидами, всегда встречаются вместе и накапливаются в горных породах, образовавшихся из мантийных магм. Уровни содержания платиноидов чрезвычайно низки. Наиболее распространенные среди них платина и палладий имеют среднее содержание в земной коре всего 0,0000005 %, а другие и того
меньше. Вместе с тем в мантийных породах содержания платиноидов заметно выше, но не настолько, чтобы их можно было рассматривать в качестве потенциальных ресурсов. Наиболее важным способом накопления платиноидов в рудах месторождений является процесс магматической сегрегации сульфидов никеля, меди и железа. По мере того как образовавшиеся сульфиды начинают под действием силы тяжести опускаться на дно магматической камеры, они действуют как накопители атомов, извлекая платиноиды из расплава. При разработке образующихся таким образом сегрегационных магматических месторождений меди и никеля платиноиды получаются попутно в качестве побочного продукта. Есть месторождения, на которых, наоборот, выгоднее извлекать платиноиды как главный компонент, хотя в рудах могут присутствовать и медь, и никель. Это относится к расположенному в ЮАР Бушвелдскому магматическому комплексу, в котором имеется сегрегационный слой мощностью до десятков сантиметров, обогащенный платиноидами,— так называемый риф Меренского.
Существует еще один важный тип месторождений платиноидов. Эти металлы не подвергаются химическому выветриванию и достаточно прочны. Поэтому их зерна не разрушаются при переносе проточными водами и выпадении в осадок. Будучи очень тяжелыми, они накапливаются в россыпях (рис. 6-16). В местах, где встречаются, платиноидоносные изверженные горные породы, как, например, в Уральских горах (СССР), могут формироваться довольно крупные россыпные месторождения.
Запасы платиноидов велики по сравнению с объемами их производства (табл. 6-7), однако распространены они крайне неравномерно. Большая их часть сосредоточена в Бушвелдском комплексе и в СССР. Потенциальные ресурсы платиноидов не оценены, но они, - вероятно, большие. Многие расслоенные интрузивные массивы, такие, как Стиллуотер (шт. Монтана) и Дулут (шт. Миннесота), содержат большие ресурсы бедных руд. Главной сложностью производства платиноидов является то, что переработка из низкосортных ресурсов тесно связана с производством других
।।Водный потокВодный потокПеред выступами- днаПеред выступами- днаРедкие металлы 183Редкие металлы 183В углублениях днаВ углублениях днаВ эрозионных ваннах; водопадовВ эрозионных ваннах; водопадовНа внутренней отмели меандрыНа внутренней отмели меандрыНиже устья мелкого притокаНиже устья мелкого притокаРис. 6-16. Типичные случаи накопления россыпей., Водные потоки,, переносящие частицы горных пород к минералов, сталкиваясь с различными препятствиями или отклоняясь в сторону, теряют наиболее плотные и крупные обломки, перемещаемые волочением5 по дну и отчасти во взвесях. Р^сшня могут образовываться в любом месте, где есть водные потоки,, но особенно часто это происходит в речных руслах.Рис. 6-16. Типичные случаи накопления россыпей., Водные потоки,, переносящие частицы горных пород к минералов, сталкиваясь с различными препятствиями или отклоняясь в сторону, теряют наиболее плотные и крупные обломки, перемещаемые волочением5 по дну и отчасти во взвесях. Р^сшня могут образовываться в любом месте, где есть водные потоки,, но особенно часто это происходит в речных руслах.
।
।
Водный поток
Водный поток
Перед выступами- дна
Перед выступами- дна
Редкие металлы 183
Редкие металлы 183
В углублениях дна
В углублениях дна
В эрозионных ваннах; водопадов
В эрозионных ваннах; водопадов
На внутренней отмели меандры
На внутренней отмели меандры
Ниже устья мелкого притока
Ниже устья мелкого притока
Рис. 6-16. Типичные случаи накопления россыпей., Водные потоки,, переносящие частицы горных пород к минералов, сталкиваясь с различными препятствиями или отклоняясь в сторону, теряют наиболее плотные и крупные обломки, перемещаемые волочением5 по дну и отчасти во взвесях. Р^сшня могут образовываться в любом месте, где есть водные потоки,, но особенно часто это происходит в речных руслах.
Рис. 6-16. Типичные случаи накопления россыпей., Водные потоки,, переносящие частицы горных пород к минералов, сталкиваясь с различными препятствиями или отклоняясь в сторону, теряют наиболее плотные и крупные обломки, перемещаемые волочением5 по дну и отчасти во взвесях. Р^сшня могут образовываться в любом месте, где есть водные потоки,, но особенно часто это происходит в речных руслах.
металлов, таких, как никель и медь. Поэтому в будущем ситуация с платиноидами может оказаться похожей на современное положение с серебром.
Страна .
Платиноиды 1
Золото
Производство, т
Запасы, т
Производство, т
Запасы, т
СССР
п-10
п.1000
п-10
п-ЮОО
ЮАР
80,9
30 200
659
21 800
Канада
5,9
280
56
1240
США
0,2
498
44
3110
Таблица 6r7. (1982 г.)
Главные страны — продуценты платиноидов и золота
1 Платиноиды объединеныв группу, поскольку они похожи по распространенности и применению. Внутри группы на платину и палладий приходится по 40 % производства и запасов, на родий — 9 %, иридий — 6 %, рутений — 4 %, осмий — 1 %. (По материалам Горного бюро США.)
Золото. От платиноидов золото отличается тем, что если первые связаны с изверженными породами мантийного происхождения, то второе ассоциируется с магматическими горными породами, образовавшимися в земной коре. Как и сульфидные минералы, золото переносится гидротермальными растворами./Самородное золото — одно из самых малорастворимых веществ в природе, но оно может переноситься в растворе в форме сульфидных или хлоридных соединений. Обычно золото находят в гидротермальных жильных место- , рождениях в ассоциации с сульфидами или без них. Руды, богатые золотом, встречаются редко, но и в этом случае содержание золота составляет 0,007 %, что позволяет извлечь около 60 г металла из каждой тонны руды. Однако и разработка более бедных руд может быть рентабельной;
Золото настолько стойко к коррозии, что практически не разрушается. Большая часть когда-либо добытого золота используется до сих пор. Постоянно находясь в употреблении, меняя владельцев и назначение, оно проходит сквозь века и, может быть, в вашей зубной коронке или в обручальном кольце содержится частица золота браслета Клеопатры./Золото необычно еще и тем, что образуется в виде отдельного
минерала даже при очень низких концентрациях и не входит в состав других минералов, что имеет место с более распространенными металлами. Поскольку золото широко рассеяно в малых количествах, не подвержено разрушению и имеет высокую плотность, оно идеально подходит для накопления в россыпях, которым обязана большая часть его мирового производства.
; Среди наиболее известных золоторудных месторождений мира выделяются месторождениярайона Витватерсранд (ЮАР). Образовавшиеся-, около 2,5 млрд, лет назад в докембрийское время руды заключены в толще конгломератов — осадочных образований, состоящих из округлых галек разнообразных пород, сцементированных тонкозернистой массой/ Этот тип пород обычно содержит россыпи в разных районах земного шара, формировавшиеся во все геологические эпохи, но ничто не может сравниться с удивительными рудами Ранда, как еще сокращенно называют это уникальное месторождение. Большая часть россыпных месторождений невелика: по протяженности они едва достигают нескольких сотен метров или редко километров. Россыпи приурочены к современным или исчезнувшим руслам рек.- Руды Ранда тоже, по- видимому, локализованы вдоль древних речных долин, при этом толща конгломератов слагает 400-км полосу, разрабатываемую по всей длине, а шахты достигли практически предельной глубины (3,5 км). Ни один из исследователей, изучавших эти руды, не смог предлржить теории, опровергающей их россыпное происхождение, но никто так и не сумел объяснить громадных размеров месторождений. По-види- мому, руды формировались либо в окраинных частях внутреннего моря, либо в мелководном морском заливе, поскольку рудовмещающими являются породы, образовавшиеся в условиях мелководной дельты. Золото в рудах тесно ассоциируется с зернами уранинита, поэтому район Витватерсранд оказывается не только крупнейшим в мире поставщиком золота, но и крупнейшим производителем урана. Возможно, существуют й другие месторождения типа Витватерсранда; аналогичные золоторудные месторождения, правда более
мелкие^ открыты в Бразилии, а в Канаде сходные урановые месторождения обнаружены в» районе Блайнд-Ривер (Онтарио).
Вскоре после своего открытия (1885 г.) район Ранд становится ведущим производителем золота; таким он остается и поныне. В 1982 г. на него приходилось 52 % мирового производства золота. Хотя добыча этого металла ведется в широких масштабах — 71 страна в- 1982 г.— крупные месторождения золота редки, и только четыре страны обеспечивают 85 % его мирового производства. В Соединенных Штатах Америки одной из крупнейших золоторудных шахт является Хоумстейк-Майн в Северной Дакоте. Месторождение имеет докембрийский возраст, оно сильно метаморфизовано и его происхождение неясно. Ученые, изучавшие месторождение, полагают, что подводные морские горячие источники отлагали золото и попутные редкие металлы в осадочных вмещающих породах по мере их накопления и что в результате последующих процессов метаморфизма металлы сконцентрировались в жилах и линзах. В штате Невада разрабатываются три месторождения необычного типа: Карлин, Кортес и Гетчелл. Недавние открытия аналогичных месторождений в штатах Невада и Калифорния позволяют надеяться, что многие месторождения этого типа еще не найдены. Месторождения являются гидротермальными, причем золото в рудах настолько тонкозернистое что иногда его трудно увидеть даже под микроскопом. Поэтому для открытия новых месторождений необходимы тонкие методы исследования.
Наряду с широким использованием в денежном обращении золото имеет и другие области применения, в связи с чем темпы его потребления неуклонно растут. Большая часть этого благородного металла уходит на ювелирные изделия; наряду с этим быстро возрастает потребность в золоте для электроники при производстве компьютеров; постоянен спрос на золото для зубного протезирования. Многие годы цены на золото контролировались правительственными? указами, однако* с учреждением в 1968 г. свободного рынка и с восстановлением прав частной собственности на зо лото в США цена на этот металл быстро превысила
5 долл //г. Вопросы о запасах и потенциальных ресурсах должны рассматриваться в тесной связи с ценами. В 1968 г. Горное бюро США оценило мировые запасы золотой руды, доступной для рентабельной добычи при цене 4,66 долл./г. (145 долл./унция), приблизительно в 37 тыс. т в пересчете на металл. Цена на
металл вскоре превысила указанную величину, однако мировые запасы отнюдь не увеличились. К ко н цу 1982 г* цена была уже близка к 15 долл./т, но и после этого мировые запасы не выросли сколько-нибудь заметно. Вопреки успешному освоению ранее упоминавшихся новых месторождений в штатах Невада и Калифорния большого роста запасов золотых руд не наблюдается, вероятно, из-за отсутствия больших потенциальных ресурсов бедных руд. Таким образом, зб^ лото представляет собой своеобразную экономическую аномалию — цена на него может расти, не вызывая таких же темпов роста его производства. |
Редкие металлы, образующие месторождения оксидов. Редкие металлы, характеризующиеся ^сродством к кислороду, за исключением олова, могут быть названы недавними пришельцами в сферу потребления, и разнообразные области их применения отражают удивительное усложнение используемых ныне технологических приемов. Хром, вольфрам, тантал, ванадий и ниобий, первоначально называвшийся колумбием, в основном используются для получения специальных сплавов, но есть у них и другие весьма специфические сферы использования. Например, большая доля получаемого вольфрама идет сегодня для производства карбида вольфрама (WC) —очень твердого материала, применяемого в металлообработке, при бурении скважин и в производстве бронебойных снарядов; у тантала были выявлены особые электрические свойства, необходимые для маломощных электронных ламп, что открывает интересные возможности для компьютеров будущего. Уран имеет свои специфические свойства, которые позволяют использовать энергию контролируемого процесса распада. Поскольку уран относится к разряду «топлив», а не металлов, он был рассмотрен отдельно в гл. 4.
Хром. Среди редких металлов, образующих оксиды, хром имеет наибольший объем производства. Он является необходимым компонентом сталей и относится к тем металлам, для которых еще не найдено хороших заменителей. Значительные количества хрома потребляются также химической индустрией, а в виде ■хромита (Mg, Fe) СГ2О4 — для производства огнеупорного кирпича.
До конца прошлого столетия хром использовался только в химической промышленности, в основном для производства красителей. После 1900 г. он стал использоваться в качестве легирующего компонента сплавов; стали для скоростной резки металлов и нержавеющие стали с хромом находят широкое применение. В современной технике хром является насущно необходимым металлом.
Единственный промышленно важный минерал хрома — хромит, запасы которого ограничены как его относительной редкостью, так и географическим распределением. Другие источники хрома пока не установлены.
Хромитовые месторождения образуются в результате магматической сегрегации. Именно этим путем хромит сам себя концентрирует, поскольку он является очень тяжелым минералом и рано кристаллизуется из расплава при остывании магмы (рис. 6-17). К сожа- выдавливаются вверх вдоль швов — зон столкновения и соответствующие горные породы в земной коре редки. Поэтому месторождения хромитов встречаются только в тех местах, где материал верхней мантии выходит на поверхность, или там, где порожденная мантией магма внедрялась в земную кору. Возможны два механизма формирования месторождений. В первом случае от верхней мантии отрываются фрагменты и выдавливаются вверх вдоль швов — зон столкновения литосферных плит. Эти фрагменты обычно представлены глубинными изверженными породами, называемыми перидотитами, которые в свою очередь изредка содержат слои и шлиры хромитов, образовавшихся в процессе магматической сегрегации. Так как перидотиты встречаются в горных хребтах, возникших при столкновении литосферных плит, их в честь Альп называют альпийскими (или альпинотипными) перидоти-
Время ->►Время ->►Рис. 6-17. а — в ходе магматической сегрегации более крупный и тяжелый материал оседает быстрее, чем мелкий и легкий, давая начало четко разграниченным слоям различного состава. Таким образом, хромит, ильменит и магнетит накапливаются в основании очага; б — пример расслоенности, возникшей между хромитами и анортозитами (белое) в Бушвелдском комплексе (ЮАР). (В. J. Skinner.)
Время ->►
Время ->►
тами. Во втором случае хромиты поступают в земную кору как составляющая магм. Сейчас мы, естественно, находим лишь застывшую магму в форме расслоенных интрузивных массивов, в которых может присутствовать и хромит в виде богатых магматических скоплений.
Подавляющая часть прежней мировой добычи хромитов пространственно связана с альпинотипными перидотитами Уральских гор (СССР), гор Турции,
Филиппин, Греции, Ирана, Югославии, Индии и США. К сожалению, все эти месторождения обычно невелики, с трудом выявляются и часто неудобны для разработки. Поэтому понятен интерес к расслоенным интрузивным массивам, в которых запасы хромита значительно больше. Такие массивы характерны для Африки. Один из самых необычных массивов изверженных горных пород расположен в ЮАР. Это — Бушвелдский комплекс, заключающий в себе большое количество различных слоев горных пород, содержащих иногда хромит; он охватывает площадь более 60 тыс. км2 и содержит, как сообщалось в 1982 г., 2,5 млрд, т богатых хромитовых руд (запасы). К этому следует еще прибавить 10 млрд, т потенциальных запасов руды.
Другой крупный расслоенный интрузив — Великая Дайка Зимбабве также имеет гигантские запасы хромитов. Ясно, что со временем Южная Африка займет гораздо более высокое место в добыче хромита, потеснив при этом традиционного лидера — СССР.
Примечательно, что расслоенные интрузивы найдены практически на всех континентах, и большинство из них содержит низкосортные потенциальные ресурсы хромита. Примером крупного источника низкосортного сырья является комплекс Стиллуотер — расслоенный интрузив в штате Монтана, который содержит подавляющую часть потенциальных ресурсов США. Более того, потенциальные ресурсы хромитовых руд с низким содержанием хрома настолько велики и широко распространены, что практически все страны могут обеспечить себя этим сырьем. В будущем, по-видимому, не возникнет трудностей с хромом. Однако, если по каким-либо причинам что-то случилось бы с поставками из африканских запасов, возник бы крутой рост цен на хром в связи с переходом к освоению его бедных РУД-
Олово и вольфрам. Олово, не считая хрома,— единственный редкий металл с большим объемом производства. Вот уже тысячи лет оно используется для изготовления бронзы. Главнейшими областями современного использования олова являются процессы лужения, т. е. нанесение тонкого слоя на
поверхность металлических изделий для защиты их от коррозии, и производство мягких припоев.
Минералы, содержащие олово и вольфрам, часто встречаются вместе. Месторождения этих металлов нередко ассоциируются с определенными типами изверженных пород континентальной коры. Так, например, олово и вольфрам концентрируются в скарновых месторождениях, которые образуются в местах, где граниты контактируют с известняками. Для руд характерны минералы касситерит SnO2, вольфрамит (Fe, Mn)WO4 и шеелит CaWO4. Они имеют высокую плотность и устойчивы к выветриванию, поэтому могут накапливаться в россыпных месторождениях. Большая доля производства, особенно олова, приходится на такие вторичные скопления.
Как олово, так и вольфрам относятся к элементам, обеспеченность которыми в будущем недостаточно ясна; содержания их в земной коре низкие, а число месторождений невелико. В Северной Америке, например, имеется лишь несколько оловорудных месторождений, правда, число вольфрамовых — значительно больше. Значительная часть известных запасов и потенциальных ресурсов олова приходится на две ме- таллогенические провинции. Одна из них протягивается от Явы, через Малайзию, Восточный Китай и Корею в Восточную Сибирь, а другая располагается в высокогорной части Анд в Боливии и Перу. Такое же распределение характерно для большей части запасов вольфрама и горнодобывающих предприятий* приблизительно половина мирового производства вольфрама приходится на восточно-азиатский .^ пояс, который служит источником и значительной части мирового производства длова.
Другие металлы, образующие оксиды. Оксиды образуются и другими редкими металлами, из которых наиболее важны ниобий, тантал и бериллий. Все они обычно накапливаются в пегматитах. Многие годы пегматиты были их единственным источником. Но недавно были открыты новые источники для каждого из этих металлов. Минералы, содержащие ниобий и тантал, обнаружены во многих карбонатитовых масси-
вах, а силикаты бериллия — в гидротермально измененных лавах в штатах Юта, Невада и Нью-Мексико в виде исключительно тонкозернистых минералов, которые ранее пропускались. Хотя минералы бериллия здесь слишком тонкозернисты для традиционных схем обогащения, он может быть переведен в раствор кислотами и таким образом извлечен из руд. Крупнейшим источником потенциальных ресурсов бериллия на будущее можно считать месторождение Спор-Маун- тинс (шт. Юта, США).
Редкие металлы в будущем
Редким металлам присущи две особенности, которые порождают неуверенность в удовлетворении потребностей в них в будущем. Первая особенность касается наличия и распределения месторождений: с одной стороны, уже известные рудные объекты невелики по своим размерам, их размещение географически ограниченно, а поиски трудны; с другой — при оценке потенциальных ресурсов мы убеждаемся, что для большинства редких металлов не установлено нетрадиционных, крупных месторождений низкосортных руд. Мы даже не уверены, существуют ли вообщё для многих редких металлов какие-либо типы месторождений, содержания полезных компонентов в которых находились бы между минимальными промышленными содержаниями в отрабатываемых сейчас рудах и средними содержаниями в горных породах земной коры. В случае, например, с медью, ясно, что, когда будут истощены существующие ныне месторождения, станут осваиваться большие нетрадиционные источники ее ресурсов. Но для таких металлов, как серебро, вольфрам и ртуть, альтернативных источников сырья пока нет.
» Вторая особенность — это сложившаяся структура потребления. Мы наращиваем использование редких металлов гораздо большими темпами, нежели это допускается здравым смыслом, напоминающим, что эти металлы — «редкие». Если бы мы использовали металлы пропорционально их распространенности в земной коре, мы должны были бы потреблять в несравненно
больших количествах железо, алюминий и другие распространенные металлы и во много раз меньших количествах редкие металлы. Возьмем для примера мировое производство чугуна в 1981 г.— 550 млн. т. Если предположить, что другие металлы потребляются в полном соответствии с их распространенностью в земной коре, то норма потребления меди должна была бы составить 550 тыс. т в год, свинца — 95 тыс. т, а олова — 14,3 тыс. т в год. В действительности же реальные нормы потребления соответствующих металлов в 15, 35 и 18 раз выше. Это заставляет предположить, что богатые месторождения большинства редких металлов будут истощены задолго до оскудения месторождений распространенных металлов. Цены на них будут расти быстрее, и, возможно, это приведет к тому, что относительные объемы их потребления когда-нибудь все-таки приблизятся к относительной их распространенности в земной коре.
Б. Скиннер
Глава 7
Агрохимическое и химическое сырье
В 1960 г. применение химических удобрений в шесть раз превысило уровень 1930 г. Дополнительная продукция, полученная исходя из ныне существующих темпов роста потребления растительной пищи— примерно 6—7 млн. т в год,— эквивалентна урожаю с 75 млн. акров неудобренных сельскохозяйственных угодий. (Д. Н. Landsberg, Natural Resources for U. S. Growth, 1964.) Мировая добыча фосфатных пород неуклонно увеличивалась, возрастая до 108, 119, 129, 133 и 138 млн. т в 1976, 1977, 1978, 1979 и 1980 гг. соответственно. Планы дальнейшего расширения производства, намеченные на 1980-е годы, обеспечены соответствующими запасами фосфатного сырья на весь этот период. (Mineral Yearbook, Vol. 1, 1980.)
Термин неметаллические полезные ископаемые в некоторой степени двусмыслен: он не является ни строго научным, ни точным экономическим термином. Однако им широко пользуются, и он охватывает группу полезных ископаемых, которые добываются для других целей, нежели получение металлов, в них содержащихся. Неметаллические полезные ископаемые удобно классифицировать не на основе распространенности в земной коре элементов, входящих в их состав, а по областям применения. Во-первых, здесь можно выделить полезные ископаемые, в основном используемые для агрохимических целей, главным образом в виде удобрений и в качестве сырья для химической промышленности. Эти виды сырья составляют 33 % от объема добычи неметаллических полезных ископаемых. Во-вторых, выделяются материалы для строительства и строительной промышленности, которые будут рассмотрены в гл. 8.
Полезные ископаемые для производства удобрений
Месторождения сырья для производства удобрений, несомненно, являются одним из самых насущных ресурсов, без которых невозможно увеличение произ-
водства продуктов питания для удовлетворения потребностей растущего населения Земли, стремящегося к улучшению своего жизненного уровня. Растению для роста требуется много химических элементов. Кислород и водород (извлекаемые из воды) вместе с углеродом (извлекаемым из двуокиси углерода атмосферы) составляют 98 % основной массы живых растений, однако азот^ фосфор, калий, кальций и сера им столь же необходимы. Растения суши — источник наших пищевых, запасов — извлекают эти элементы из почвы. Уровень их содержания во многом определяет скорость роста растений. Чтобы элементы могли оказывать влияние на рост, они должны находиться в почве в хорошо усваиваемой растениями форме. Например, в большинстве почв калия содержится более 1 %, но подавляющая его часть недоступна для растений, так как он заключен в нерастворимых силикатах типа полевых шпатов. Для повышения скорости роста растений калий вносится в почву обычно в виде сульфата K2SO4 или хлорида КСГ, потому что оба эти соединения легкорастворимы. Действенность азотных, фосфорных и других удобрений также зависит от их растворимости, поэтому к ресурсам удобрений относятся растворимые соединения или минералы, которые после обработки легко превращаются в растворимые разновидности. Геологи ведут поиск именно таких ресурсов удобрений.
Наиболее важные удобрения — «большая троица» — фосфорные, калийные и азотные. Они вносятся в почву в отношении примерно 1 : 1,5 : 3, но при этом следует помнить, что удобрения применяются не в виде химических элементов, а в виде различного рода соединений, которые все чаще называют компаундами. Потребности в удобрениях быстро увеличиваются (рис. 7-1), а их мировое потребление удваивается каждые десять лет. Спрос на удобрения едва ли будет уменьшаться, так как население земного шара продолжает расти. Наибольшие темпы роста в использовании удобрений отмечаются сейчас в таких странах, как Бразилия, где большие площади бедных почв вовлекаются в сельскохозяйственный оборот. Запасы главных элементов удобрений, к счастью, очень велики.
196 Глава 7
Рис. 7-1. Мировое потребление фосфора, калия и азота — главнейших элементов удобрений, которые вносятся в почву в виде со- единеий, существенно увеличивающих общий тоннаж удобряющих материалов по сравнению с показанным на графике. Массовые отношения фосфора, калия и азота в удобрениях приблизительно равны 1 : 1,5:3 соответственно. (По данным Горного бюро США), но за исключением азота, запасам всех остальных видов современного агрохимического сырья присущи те же проблемы, что и большинству редких металлов,— их географическое распределение ограничено несколькими регионами (табл. 7-1).
Азот. Как уже отмечалось в гл. 2, азот — главный ресурс, извлекаемый из атмосферы. Форма, в которой он вносится в почву,— это различные растворимые нитраты, такие, как NaNOa, или компаунды аммония, такие, как (NH^SC^ и NH4NO3.
Большинство искусственных соединений азота получаются с помощью различных вариантов процесса Габера — Боша, в ходе которого атмосферный азот и водород (обычно в форме метана СН4 из природного газа) соединяются при высоких температурах и давле-
Таблица 7-1. Производство азотной, фосфорной и калийной составляющих агрономических удобрений в 1981 г. (млн. т). Азот выделяется из атмосферного воздуха, фосфор и калий добываются из месторождений
Страна
Азот
Фосфатные породы 1
Поташ 2
США
14,2
53,6
2,2
СССР
12,6
30,9
8,4
Китай Индия Канада ФРГ ГДР Марокко
7,4
2,9
2,2 2,0 1,2
5,5 0,6 ‘
19,7
4,6
6,8
2,6
3,5
Тунис
Всего
71,5
138,6
27,4
1 Содержание фосфора переменно, но в среднем составляет 13 % (по массе).
2 Содержание калия в поташе составляет 83 % (по массе). (По материалам Горного бюро США.)
ниях с образованием аммиака, или как побочный продукт в коксовых печах. Процесс требует большого количества энергии; заводы по производству азотных удобрений являются одним из самых энерго- и капиталоемких промышленных предприятий. Тем нс менее на азот приходится наибольшая доля в мировом потреблении удобрений (рис. 7-1). Стоимость последних строго зависит от стоимости затраченной энергии. Атмосферный азот является главным источником для азотистых компаундов, хотя в небольших количествах продолжают добываться природные нитраты на чилийских месторождениях. Нитраты относятся к хорошо растворимым солям, но в почвах пустыни Атакама (Чили), где фактически нет дождей, они все же накапливаются. Интересно историческое замечание. В так называемой Тихой войне 1879—1883 гг. Чили сражалась против Боливии и Перу за контроль над месторождениями нитратов в пустыне Атакама, однако с открытием процесса Габера — Боша эти месторождения Утратили свое значение.
Почти 20 % ежегодно потребляемого азота производятся в Соединенных Штатах Америки и половина — лишь в четырех странах (табл. 7-1).
Калий. Калий является широко распространенным элементом, подавляющая часть которого заключена в практически нерастворимых силикатных минералах. В качестве удобрений используются растворимые минералы калия, встречающиеся исключительно в месторождениях, известных как морские эвапориты, которые образуются в результате накопления солей при испарении морской воды. С морскими эвапоритами связано производство и других полезных компонентов, поэтому рассмотрим кратко их происхождение.
Основные элементы, растворенные в морской воде, показаны на рис. 2-5. Они могут переходить в соединения, которые осаждаются из морской воды, сохраняя равновесие между положительным зарядом катионов (Na + 1) и отрицательным зарядом анионов (С1"*"1), чтобы не нарушить электрическую нейтральность раствора и осажденных солей (табл. 7-2). Хлорид натрия —
Таблица 7-2. Главные компоненты морской воды
Компонент
Доля от общей массы растворенных твердых веществ, %
Компонент
Доля от общей массы растворенных твердых веществ, %
NaCl78,04КС1
MgCl29,21СаСОз
MgSOj6,53MgBr2
CaSO43,48SrSO4
1 Значения получены при пересчете данных рис. 2-5 состав.
2,11
0,33
0,25
0,05
на молекулярный
резко преобладающий компонент среди растворенных веществ; далее следуют соли магния, сульфат кальция и хлорид калия. Когда вода испаряется, концентрации в рассоле возрастают, и в конце концов достигается насыщение раствора сначала одной солью, потом другими. Отнюдь не всегда в первую очередь выпадает
вещество, содержащееся в наибольших количествах. Насыщение сравнительно малорастворимым, а потому и находящимся в меньшем количестве в растворе компонентом обычно достигается задолго до насыщения хорошо растворимыми компонентами.
Первым компонентом, который осаждается при испарении морской воды, является СаСО3; его растворимость необычайно низка, а количество в растворе мало по сравнению с NaCl. Следующий компонент — CaSO4 не осаждается до тех пор, пока раствор не сократится до 19 % своего первоначального объема. NaCl — третий компонент — начинает осаждаться после того, как остаточный раствор достигнет 9,5 % исходного объема. Осаждение NaCl и небольшого количества CaSO4 продолжается до тех пор, пока рассол не сократится до 4 % своего первоначального объема. После этого начинает осаждаться первый компонент, содержащий магний и калий,— сложная соль, называемая полигалитом K2SO4 • MgSO4 • 2CaSO4 • 2Н2О. Сначала количество NaCl в растворе велико, и значительно больше половины его осаждается, пока объем раствора не сократится с 9,5 до 4 %. Следовательно, самым мощным слоем, образовавшимся в течение единичного цикла испарения, будет слой NaCl. Последовательность минералов, выделяющихся из оставшихся 4 % рассола (называемых «горькими солями»), сложна, разнообразна и зависит как от температуры, так и от того, контактирует или нет с ранее отложенными солями оставшаяся жидкость и, следовательно, возможно ли ее взаимодействие с ранее образованными кристаллами. Двумя осаждающимися солями, встречающимися в большинстве эвапоритовых толщ, являются сильвин КС1 и карналлит KCl-MgCUX Х6Н2О; именно в этих минералах поздних стадий испарения заключена основная часть используемых мировых ресурсов калия.
Последовательность осаждения солей и их объемы, образующиеся при испарении изолированного объема
Рис. 7-2. Последовательность осаждения соединений из морской воды. Когда в результате испарения начальный объем воды сократится до 19 %, начинается осаждаться CaSO4, когда до 9,5 % — NaCl, и т. д.
морской воды, показаны на рис. 7-2. Однако в природных отложениях эвапоритов такие соотношения солей обнаруживаются редко. Образующиеся на первой стадии осадки СаСОз и CaSO4, как правило^ более обильны, а отложения солей К и Mg, осаждающиеся позже, встречаются несколько реже. При полном испарении морской воды в бассейне с глубиной Средиземного моря (в среднем 1370 м) образовались бы только 24 м NaCl и слой CaSO4 мощностью 1,4 м. Однако нередки пласты CaSO4 и NaCl мощностью в несколько сот метров. Результаты изучения окаменелостей в ассоциирующихся с солями осадочных породах позволили сделать вывод, что испарение происходило в мелких морских бассейнах. Ясно, что должен существовать иной механизм, нежели простое высыхание изолированного мелкого бассейна. Общим условием следует считать осаждение в отчасти изолированном бассейне, из которого вода удаляется при испарении, но который и непрерывно пополняется новыми порциями морской воды. Такой режим может иметь место в ряде геологических обстановок. Обобщенно они называются замкнутыми бассейнами. В такие бассейны вода поступает чер!ез полусливной бар.
Испарение поверхностных вод приводит ко все более высокой концентрации растворенных солей в бассейне, так как рассол благодаря своей большей плотности постепенно опускается на дно. Ограничивающий бар препятствует перемешиванию воды (рис. 7-3). Соле-
Рис. 7-3. Схематическое поперечное сечение ограниченного бассейна. Свежая морская вода поступает через бар и в процессе испарения концентрация солей в ней повышается. Плотный рассол опускается на дно, а бар препятствует его возвращению в открытое море. Когда рассол достигает определенной солености, соли осаждаются и могут в конечном счете заполнить бассейн.
ность бассейна увеличивается медленнее, чем это наблюдается при непосредственном испарении изолированного объема морской воды, а соленость рассола длительное время остается на уровне осаждения СаСОз. Вполне возможно, что выпадающий в осадок СаСОз заполнит бассейн до уровня бара, прежде чем соленость достигнет величины, при которой начнет осаждаться CaSO4. Аналогичным образом могут сформироваться мощные залежи CaSO4, и рассолы никогда не смогут достичь стадии осаждения NaCl. Частота встречаемости эвапоритовых солей и их суммарная мощность в осадочных бассейнах повсеместно уменьшаются в последовательности: СаСОз> CaSO4> > NaCl> соли К и Mg.
В настоящее время эвапоритовые отложения формируются на всех континентах. Хотя высокие температуры не обязательны для концентрации солей — суховеи могут выполнять те же функции и в холодном климате,— большинство эвапоритов образуются все же в поясе 35° с. ш.—35° ю. ш. Все современные месторождения невелики по масштабам и в настоящее время на планете нет окраинных морей с ограничен-
ными течениями ипо размерам близких к Балтийскому, Средиземному или Черному морям, для которых выполнялись бы одновременно и морфологические, и климатические условия, необходимые для образования крупного месторождения эвапоритов. На сегодняшний день наибольшим, вероятно, является залив Кара-Богаз-Гол (СССР) на восточной окраине Каспийского моря. Однако если мы обратимся к геологической летописи, то обнаружим, что это временная ситуация, так как эвапориты широко развиты и в пространстве и во времени, а в прошлом неоднократно и почти повсеместно создавались условия, гораздо более подходящие для формирования морских эвапоритов, чем это наблюдается в настоящее время. В пермский период были сформированы исключительно мощные толщи эвапоритов в Северной Америке и в Европе. К тому же и само слово пермский произошло от пермского бассейна в СССР, к которому приурочено одно из крупнейших в мире месторождений эвапоритов.
Эвапориты являются главным источником галита (NaCl известен как обычная поваренная соль), гипса CaSO4*2H2O и солей калия. В некоторых случаях в качестве побочных продуктов получают магний и другие менее распространенные элементы. Галит и гипс мы рассмотрим позднее, а здесь сосредоточим наше внимание на соединениях калия.
Многие годы спрос на калийные удобрения удовлетворялся за счет обширных пермских месторождений эвапоритов в Германии. По иронии судьбы в годы первой мировой войны США остались без нужного им сырья, ибо месторождения Германии оказались для них недоступны. Это обстоятельство стимулировало поиск и открытие новых, даже более богатых месторождений того же возраста и типа в штате Нью-Мексико. Здесь в пермскую эпоху в обширном, но мелком море сформировалась мощная толща эвапоритовых солей на площади не менее 160 тыс. км2; на ней теперь располагаются штаты Нью-Мексико, Техас, Оклахома и Канзас. На одном из участков этого бассейна (около Карлсбада, штат Нью-Мексико) на площади в 4,8 тыс. км2 обнаружены пласты солей калия, мощность которых достигает 4 м. Эти месторождения
Агрохимическое и химическое екф®>е 203
Рис. 7-4. Районы США и Канады, подстилаемые морскими эвапоритовыми отложениями галита и солей калия. (По данным U 8. Geol. Surv. Bull. 1019^; A. D. Huffman, 1968; P. Bl K^g, 194 2; R. J. Hite, 1961; S. R. L. Handing and H. A. Gorrell, 1967.)
являются наиболее богатыми в мире, хотя они невелики по сравнению с другими месторождениями. Запасы и потенциальные ресурсы калия составляют здесь примерно 100 млн. т.
Кроме указанных Северная Америка располагает еще рядом крупных месторождений калийных солей
(рис. 7-4). Так, бассейн пенсильванского возраста в юго-восточной части штата Юта и в юго-западной части штата Колорадо — так называемый бассейн Парадокс — содержит богатые калием соли, площадь развития которых составляет 12,6 тыс. км2. Хотя значительная часть пластов солей калия залегает здесь слишком глубоко для рентабельной разработки, некоторое количество солей извлекается уже сейчас с помощью буровых скважин методом растворения солей непосредственно под землей, откуда растворы выкачиваются, а соли калия отделяются при выпаривании раствора на поверхности.
В провинции Саскачеван (Канада) ив ближайших к ней штатах США (Северная Дакота и Монтана) открыты, но пока еще недостаточно разведаны огромные запасы калийных солей в бассейнах Элк-Пойнт и Уиллистон девонского возраста. Согласно опубликованным данным, 37 500 млн. т. калийных солей доступны для современных методов разработки. Это крупнейшие из известных на Земле ресурсы, однако большими ресурсами располагает также СССР, а в последние годы крупные месторождения открыты в таких далеко отстоящих друг от друга регионах, как Южная Америка и Юго-Восточная Азия. Единственные континенты, где пока еще не обнаружены эвапориты с калием,— это Австралия и Антарктида. Кроме того, почти неисчерпаемым потенциальным ресурсом являются соли, растворенные в морской воде, поэтому даже больший по сравнению с современным спрос на калийные удобрения не должен вызвать серьезных трудностей.
Фосфор. Круговорот фосфора относится, по-види- мому, к одному из самых нарушенных в результате интенсивной культивации земель. Фосфор является жизненно важным элементом для многих процессов, происходящих в клетках человеческого тела. Основная его часть сосредоточена в скелетах, состоящих из апатита Са5(РО4)з(ОН), и после нашей смерти этот запас фосфора уже не возвращается в почвы. Следовательно, его нужно возмещать, т. с. вносить удобрения. Единственным источником фосфора и един-
ственным распространенным минералом фосфора является апатит, но он слаборастворим, В связи с этим в обычной практике апатит (или фосфатные породы, как называют большую часть сырья, богатого апатитом) приходится обрабатывать разбавленными кислотами, чаще всего серной кислотой H2SO4, чтобы превратить апатит в более растворимое вещество. Химические реакции, которые происходят, когда серная кислота реагирует с апатитом, очень сложные; получающийся при этом суперфосфат отличается высоким содержанием такого растворимого в воде компаунда, как Са(Н2РО4)2.
В небольших количествах апатит встречается во многих горных породах, независимо от того, являются они изверженными, метаморфическими или осадочными. Большие концентрации апатита иногда устанавливаются в изверженных породах, но такие случаи относительно редки. Подобное скопление апатита известно на Кольском полуострове (рис. 7-5), на севере
Рис. 7-5. Размещение основных центров разработки фосфатов на земном шаре.
Советского Союза, в породах, называемых сиенитами, которые разрабатываются из-за содержащегося в них
апатита и являются главным источником советских фосфорных удобрений. Есть еще одна разновидность изверженных горных пород — карбонатиты, которые служат источником как апатита, так и ниобия. Такие месторождения известны в Бразилии и в ЮАР — крупное интрузивное тело Палабора. Однако и большая часть современной мировой добычи, и почти все известные запасы связаны с морскими осадочными месторождениями апатита. В настоящее время они обеспечивают примерно 82 % мирового потребления фосфора, остальное приходится на изверженные горные породы (16%) и на гуано (2 %), которое представляет собой разложившийся в условиях сухого климата помет морских птиц.
Вопрос о происхождении морских фосфатных отложений окончательно не решен, однако общая картина их формирования уже понятна, поскольку осаждение апатита наблюдается сегодня в зоне апвеллинга, где холодные, обогащенные фосфором воды поднимаются из океанских глубин. Если это происходит вдоль мелкого континентального шельфа или в бассейнах с ограниченным водообменом, насыщение морской воды апатитом и последующее его осаждение могут быть вызваны рядом факторов. Например, почти лишенные кислорода или бескислородные воды создают среду с менее щелочным составом воды, в которой растворимость апатита понижается и он осаждается. Такие обстановки необычны в море, особенно в больших масштабах, однако, когда они все-таки возникают, как, например, в бассейнах с ограниченным притоком воды, для накопления фосфатных осадков необходимо такое расположение бассейна, чтобы привнос обломочного материала был незначительным, иначе будет происходить разбавление медленно осаждающегося фосфата. На территории современного Запада США апвеллинг определенно имел место в перми (рис. 7-6). Образованные таким образом пласты особенно велики. Они сформировались в мелком морском бассейне, занимавшем территории нынещних штатов Айдахо, Невада, Юта, Колорадо, Вайоминг и Монтана (рис. 7-7). Обогащенные фосфатом осадки (так называемая формация Фосфория) покрывают площадь
Юго-восточный АйдахоЮго-восточный АйдахоЦентральный ВайомингЦентральный ВайомингУровень моря
Юго-восточный Айдахо
Юго-восточный Айдахо
Центральный Вайоминг
Центральный Вайоминг
////Кремнистые сланцы;/
7////////////^^^
Месторождения фосфатов
У/ТАТл Сланцы WZZZZZZZZZZ^ Запад
ЭвапоритыЭвапоритыВостокВостокМесторождения формации ФосфорияМесторождения формации ФосфорияРис. 7-7. Крупные фосфатные месторождения разрабатываются в трех главных районах США. Наибольшие запасы сосредоточены в формации Фосфория; их, по-видимому, хватит на многие столетия, при условии что будут решены проблемы добычи и транспорта. (По данным V. Е. McKelvey et aL, 1953; Tenn. Div. df Mines, 1938; U. S. Geol. Surv. Bull., 1942.)Рис. 7-7. Крупные фосфатные месторождения разрабатываются в трех главных районах США. Наибольшие запасы сосредоточены в формации Фосфория; их, по-видимому, хватит на многие столетия, при условии что будут решены проблемы добычи и транспорта. (По данным V. Е. McKelvey et aL, 1953; Tenn. Div. df Mines, 1938; U. S. Geol. Surv. Bull., 1942.)Рис. 7-6. Схематическое изображение отложения апатита в формации Фосфория в западной части США. (По данным R. Sheldon, 1963.)
Эвапориты
Эвапориты
Восток
Восток
Месторождения формации Фосфория
Месторождения формации Фосфория
Рис. 7-7. Крупные фосфатные месторождения разрабатываются в трех главных районах США. Наибольшие запасы сосредоточены в формации Фосфория; их, по-видимому, хватит на многие столетия, при условии что будут решены проблемы добычи и транспорта. (По данным V. Е. McKelvey et aL, 1953; Tenn. Div. df Mines, 1938; U. S. Geol. Surv. Bull., 1942.)
Рис. 7-7. Крупные фосфатные месторождения разрабатываются в трех главных районах США. Наибольшие запасы сосредоточены в формации Фосфория; их, по-видимому, хватит на многие столетия, при условии что будут решены проблемы добычи и транспорта. (По данным V. Е. McKelvey et aL, 1953; Tenn. Div. df Mines, 1938; U. S. Geol. Surv. Bull., 1942.)
более 160 тыс. км2 и достигают мощности 140 м. Однако мощность фосфатного пласта обычно равна 1 м и менее. Поэтому месторождения могут рассматриваться только в роли потенциального ресурса, общий тоннаж которого, однако же, огромен.
Небольшие по размеру нодули (конкреции) апатита обычны в некоторых известняках, сформировавшихся на дне неглубоких морей. Большие скопления нодулей, образовавшихся в результате непосредственного осаждения из воды; или при вторичном обогащении в виде слоев гравелитов, представляют собой ценные месторождения фосфоритов. Огромные фосфатные месторождения «наземной гальки» во Флориде являются источником 85 % современной фосфатной продукции США. Это вторичные концентрации фосфатных нодулей, первоначально находившихся в миоценовых известняках. Известная в штате Теннесси продуктивная площадь включает остаточные месторождения фосфоритов, образовавшихся при выветривании нодулесодержащих известняков.
Основные страны — продуценты фосфатов располагают и основными их запасами, которые действительно огромны. В 1982 г. они превышали 40 млрд. т. Однако пестрое географическое распределение известных ресурсов увеличивает транспортные расходы и тем самым общие издержки на производство удобрений. Поэтому такие страны, как Австралия, с большими площадями земель, нуждающихся в фосфорных удобрениях, продолжают поиски и разработку исследовательских программ в надежде открыть залежи, доступные для добычи. В результате найдено крупное месторождение в Квинсленде, однако высокая стоимость транспортировки сырья не позволяет пока начать его эксплуатацию.
Потенциальные ресурсы фосфора велики. Поиски же фосфатных месторождений были не настолько тщательными, чтобы уверенно ответить на вопрос, будут ли открыты новые крупные месторождения. Частично это объясняется экономическими трудностями, обусловленными конкуренцией вновь открытых месторождений с уже существующими рудниками. Успеху поисков препятствуют также трудности диагностики богатых фосфором пород. Даже для специалистов фосфатные породы часто неотличимы от простых сланцев или известняков. Следовательно, можно Надеяться, что дополнительно будут открыты крупные месторождения фосфоритов.
Большой потенциальный ресурс фосфора ныне уже
очевиден. На ряде континентальных шельфов обнаружены миоценовые корки и конкреции апатита, которые по способу образования близки формирующимся в настоящее время отложениям фосфатов. Эти образования по существу аналогичны богатым фосфорным месторождениям Флориды и Марокко, где они выведены на поверхность континента. К сожалению, качество этих морских отложений хуже по сравнению с их наземными аналогами, но тоннаж данного ресурса велик: возможно, он соизмерим с ныне зарегистрированными запасами. Следовательно, обеспеченность человечества фосфором, так же как азотом и калием, очень высока, и нет причин опасаться сокращения производства продуктов питания. Тем не менее на уровень применения удобрений могут повлиять такие факторы, как стоимость производства азотистых солей и стоимость добычи и перевозки фосфорного и калиевого сырья.
Сера. Сера имеет много областей применения и к элементам удобрений обычно не относится. Однако приблизительно 40 % мировой продукции используются для производства таких важных удобрений, как суперфосфат и сульфат аммония. Второй крупнейший потребитель серы — химическая промышленность; на ее долю приходятся 20 % всей продукции, из которых большая часть идет на производство инсектицидов и фунгицидов для борьбы с болезнями растений.
Поскольку сера является широкораспространенным элементом, ее источники различны и встречаются повсеместно. Например, море содержит огромные ресурсы сульфатов, а гигантские эвапоритовые месторождения, рассмотренные ранее,— громадные ресурсы CaSO4. Однако, как и в случае с ресурсами других элементов, целью поисков являются запасы серы, освоение которых требует наименьших затрат, при этом источники сырья могут быть различными в зависимости от местных условий. В 1982 г. 32 % мировой продукции приходились на элементарную или самородную серу.
Известны два главных источника самородной серы. Один из них, имеющий практическое значение главг ным образом в Японии, важность которого быстро снижается,— это серные вулканические газы, конденсирую-
щиесеру в близповерхностных жилах и пропитывающие ею горные породы. Другой источник, в количественном отношении гораздо больший,—процесс вторичного обогащения за счет CaSO4. Определенные анаэробные бактерии извлекают кислород из твердых соединений, таких, как CaSO4, а энергию для этого получают в результате разложения органического вещества. В этом процессе участвует серия реакций, в ходе которых бактерии превращают органические соединения и CaSO4в СаСОз и S.
Этот процесс осуществляется там, где нефть служит источником энергии для жизнедеятельности бактерий. В США, Мексике и в ряде других мест бактериальное восстановление происходит в .верхней части соляных куполов и в некоторых слоях эвапоритов. Когда соль поднимается из глубоко залегающих морских эвапоритов, ассоциирующийся с ней CaSO4 переносится в близповерхност- ную обстановку, где сера высвобождается в процессе бактериального восстановления. Из нескольких сотен известных в мире соляных куполов лишь немногие содержат промышленные концентрации самородной серы. Такие купола встречаются преимущественно вдоль побережья Мексиканского залива — от штата Алабама до Мексики. Они располагают большими запасами серы ив 1982 г. обеспечили 12 % ее мирового производства. Второй источник значительно больше, но свое признание он получил позднее, и его доля в общем производстве современной продукции пока невелика. Если циркулирующие приповерхностные воды локально выщелачивают NaCl и СаЗО4 из эвапоритового слоя, нефть и бактерии могут заполнить образовавшиеся пустоты и восстановить сульфат до серы. В больших масштабах это происходит в западной части штата Техас, где только в Калберстон-Филд было обнаружено более 50-Ю6 т извлекаемой серы. Аналогичные месторождения известны в Ираке, Польше и СССР.
По сравнению с потреблением запасы серы невелики. Благодаря широким поискам за последние 30 лет во многих странах были открыты три альтернативных источника серы. Первый — H2S, или кислый газ, содержащийся в природном газе. Выпускавшийся ранее в атмосферу H2S теперь извлекается и окисляется до серы.
Вторым источником серы являются сульфидные руды редких металлов и /колчеданные месторождения, в которых всегда присутствуют два сульфида железа пирит (FeS2) и пирротин FeS; из них сера извлекается как побочный продукт. Третьим источником является CaSO4, используемый в ряде европейских стран как новый материал для производства серной кислоты.
В 1982 г. мировое производство серы из всех источников достигло 52 млн. т, из них Ю млн. т было произведено в США. Запасы богатых руд самородной серы невелики, но ресурсы сульфидных и сульфатных руд огромны. Если, успехи в развитии технологии обеспечат низкие цены на серу, получаемую. из альтернативных источников, у человечества не возникнет проблем с этим видом сырья. Сошлемся, в частности, на такой пример: снижение содержания двуокиси серы в дымах и атмосферных выбросах тепловых электростанций, работающих на угле, было достигнуто благодаря разработке новых способов извлечения двуокиси серы.
Химическое сырье
Неметаллические полезные ископаемые, используемые главным образом в. качестве сырья для химической промышленности, весьма разнообразны и имеют большое экономическое значение. Они обычно не являются главными полезными компонентами, но при использовании большинства из них руководствуются количеством, легкостью извлечения м, следовательно, низкими затратами. Для многих из них имеются заменители:
Наиболее важным членом; этой группы является галит NaCI Огромные ресурсы соли (гл. 2) содержатся не только в морской воде, но и в морских эвапоритах. Поэтому проблема ресурсов переходит в проблему их добычи и перевозки (рис: 7-4). Например/в бассейне Эвапоритов пермского возраста на юге и в центре США насчитывается более 150 тыс. км2 галитовых пластов суммарной мощностью, 60 м, но сегодняшняя стоимость разработки этих месторождений высока, потому что они залегают сравнительно глубоко и удалены от основных рынков. Их добыча ведется только на небольшом участке в штате Канзас;
Многие залежи недоступны для разработки, однако у природы есть интересный механизм переноса соли ближе к поверхности. Плотность галита — 2,2 г/слЛ в то время как ассоциирующиеся с ним осадочные породы имеют плотность по меньшей мере 2,5 г/см3. Так как пласты соли легче и обладают способностью к пластическому течению, подобно льду в глетчере, они стремятся вверх и «протекают» сквозь перекрывающие их горные породы. Если последние достаточно слабы и, следовательно, могут быть прорваны поднимающейся солью, та длинные тонкие колонны, или стержни, всплывают из глубоко захороненных горизонтов осадочной соли. Известны случаи, когда столбы диаметром от 100 м до 2 км и более прорьь вались через перекрывающие их осадки мощностью не менее 12 км.
Соляные купола известны во многих регионах мира — в Европе, Южной Америке, СССР и на Среднем Востоке — но особенно часто они встречаются на побережье Мексиканского залива, где их число достигает нескольких сотен (рис. 7-8). Эти купола поднялись из эвапоритовых толщ, залегающих на 12 тыс. м ниже сегодняшней плоской равнины штатов Луизиана и Техас. Несколько из них разрабатываются на соль.
Соль — существенный ингредиент питания, и 99 стран регулярно производят ее. Потребление соли в пищу составляет лишь малую долю из общего потребления, большая часть которого приходится на химическую индустрию — производство хлора и содового порошка Na2COs и коммунальные нужды — очищение мостовых и тротуаров от снега и льда. Неудивительно, что главные индустриальные державы — США, СССР и ФРГ — вместе с Китаем, родиной 20 % населения мира, потребляли в 1982 г. 50 % соли общей массой 182 млн. т.
Из всего комплекса химического сырья, исключая петрохимическую продукцию, получаемую из горючих ископаемых, соль производится в наибольших масштабах. Среди других видов важное значение имеют: Na2CO3, используемый в производстве бумаги, мыла, моющих средств и для обработки воды; Na2SO4, используемый для получения картона, моющих средств и добавок в дубящие и красящие вещества; бораты, такие, как
Рис. 7-8. Соляные купола на американском побережье Мексиканского залива. Заметим, что соляные купола приурочены к хорошо выраженным зонам, хотя район, подстилаемый солями Лауенн, за счет которых растут купола, значительно больше. (По данным D. Н. Kupfer, 1970.)
бура ЫагВ^?* ЮЩО, используемые в производстве стекла (в качестве флюса), мыла, моющих средств, соединений для выделки шкур и антисептиков. Все эти минералы образуются путем осаждения из озерной воды в неморских эвапоритовых отложениях, и хотя отдельные месторождения не очень велики, распространены они достаточно широко.
Другие виды минерального сырья
Общий их список очень длинен, но только одна группа — абразивные материалы — технологически столь важна, что требует особого обсуждения.
Абразивы исключительно важны для обработки современных твердых сплавов и таких соединений, как карбид вольфрама. Алмаз, самый твердый из всех природных веществ, представляет собой наиболее важный ресурс. Эта плотная природная форма углерода требует для своего образования высоких давлений, которые достигаются только на глубинах 150 км и более. Образо-
вание материнских алмазоносных пород, называемых кимберлитами, связано с этими большими глубинами и с мантией; сами же но себе они редки. Кимберлиты выполняют узкие трубки взрыва, диаметр которых часто не превышает 50 м. Причины формирования и размещение кимберлитовых трубок остаются еще загадкой.
Кимберлиты являются коренными источниками алмазов, но не все они их содержат. На сегодня в Африке известны многие сотни кимберлитовых трубок, из которых менее 40 алмазоносны, но и из них треть не слишком богаты, чтобы оправдать разработку. На других континентах процент даже ниже, и за пределами Африки только в Якутии (СССР) и в северо-западной Австралии открыты кимберлиты, разработка которых может быть рентабельной. Даже в богатейших кимберлитах содержание алмазов очень низкое — не более чем 0,0000073 %1 Кимберлиты и алмазы обнаружены на всех континентах, однако возможны открытия и новых богатых трубок. Например, алмазоносная трубка АК1 в северо-западной Австралии является, по-вадимому, крупнейшей из найденных до сих пор, хотя открыта она была только в 1970-х годах. В Соединенных Штатах было обнаружено некоторое количество алмазов, однако большая их часть найдена в виде небольших россыпных месторождений. Алмазоносные кимберлиты в штате Арканзас являются, скорее, минералогическим курьезом, нежели потенциальными ресурсами. За 1970-е годы было открыто также несколько небольших алмазоносных кимберлитовых трубок в южной части штата Вайоминг и в северной части штата Колорадо. К сожалению, алмазы слишком малы по размерам и к тому же плохого качества, что не оправдывает их разработку.
Так как алмазы являются тяжелыми и весьма устойчивыми к разрушению минералами, они накапливаются в россыпях; более 90 % массы всех когда-либо извлеченных алмазов было получено из россыпей. Мы невольно вспоминаем о ювелирных изделиях, когда думаем об алмазах, но только 20 % добываемых алмазов может быть огранено, при этом бриллианты обеспечивают до
1 Это эквивалентно 0,2 г,. или 1 кар, на каждые 3 т кимберлитов,— Прим, перев.г
65 % всей стоимости алмазного производства. Остальные 80 % используются для промышленных целей, таких, как резание, штамповка, производство абразивов.
Со времени своего открытия в 1870 г. африканские месторождения были крупнейшими в мире поставщиками алмазов. Источником первой африканской продук; ции (из ЮАР) была кимберлитовая трубка, богатая ювелирными камнями, однако в последующие годы были открыты месторождения трубок в Танзании, Лесото, Ботсване и освоена добыча россыпей в Заире и Намибии. Африканские месторождения дали свыше 80 % мирового производства алмазов (табл. 7-3). Добыча ал-
Таблица 7-3. Производство ювелирных й технических алмазов в 1981 г. (млн. г). Видно, насколько широки вариации соотношения между ювелирными и техническими, алмазами в разных странах
Страна
Бриллианты
Технические алмазы
Всего
ЮАР
0,69
1,22
1,91
Заир
0,05
0,15
1,46
1,50
Ботсвана
0,84
0,99
Намибия
0,24
0,01
0,25
Страны мира в целом
2,02
5,80
7,82
мазов в северной Сибири обеспечивает растущие потребности СССР в этом виде сырья. В течение последних 25 лет здесь было открыто более 400 кимберлитовых трубок на площади примерно 400X500 км2, расположенной к юго-западу от реки Лены. Возможно, трубок будет открыто много больше.
Измеренные запасы и возможные ресурсы драгоценных и технических алмазов велики, но дать их полную картину почти невозможно. Что касается технических алмазов,, то технологический прогресс, в конце концов, указал путь самообеспечения. В 1955 г. компания «Дже- нерал Электрик» объявила об успешном синтезе технических алмазов, для чего используются специальные камеры для реакций при сверхвысоких давлениях. К 1981 г. промышленное производство алмазов только в США возросло до 11 400 кг в год; большое их производство приходится также на Швецию, ЮАР, Ирландию, Японию и СССР.
Глава8
Строительные материалы
Скорее человек не найдет себе места на Земле, чем скажется нехватка гранитов. (/. Л. S. Adams, New Ways of Finding Minerals, 1959.)
/ Строительные материалы — это самый большой по объему продукт, который мы извлекаем из недр Земли; после горючих ископаемых они являются второй наиболее значительной группой минерального сырья) В связи с тем что почти каждая горная порода или минерал некоторым образом вносят свой вклад в этот продукт, обсуждение происхождения строительных материалов охватывает по существу всю геологию, что выходит за рамки данной книги. Поэтому в настоящей главе основное внимание будет сконцентрировано на использовании главнейших строительных материалов для того, чтобы сопоставить перспективу этих самых больших по объему минеральных продуктов с другими видами минерального сырья.
Хотя удовлетворительной классификации строительных материалов не существует, мы разделим их на две группы: первая — это материалы, которые используются в том виде, в каком они добываются из недр, без обработки (исключая лишь изменение их физической формы путем распиловки и дробления); вторая группа — подготовленные материалы, которые до своего использования должны быть обработаны химически, обожжены, расплавлены или изменены иным способом8. При этом подразумевается обработка, включающая плавление материала и преобразование его в новые формы. Первая группа включает всю совокупность строительного камня, песка, гравия и дробленого камня; вторая — глины для кирпича, сырье для цемента и штукатурки, а также асбест.
Многие строительные материалы в отличие от металлов имеют небольшую ценность, ибо не являются редким видом сырья и широко распространены; однако, когда они переходят или перерабатываются в полезную форму, стоимость их неизмеримо возрастает. Например, известняк и сланец, используемые для получения цемента, могут иметь присущую им в недрах стоимость менее 1 долл./т, но после добычи, дробления, обжига и преобразования в высококачественный цемент стоимость продукта равна 50 долл./т и более Дрис. 8-1). К факторам,
Первоначальная стоимость каждого вида сырья = 1 долл / т
Рис. 8-1. Увеличение стоимости строительных материалов после переработки.
определяющим выбор места добычи и переработки сырья, в данном случае относятся уровень местных потребностей в материале и стоимость его транспортировки; проблемы запасов сырья возникают редко.
Природные каменные материалы
Существуют три класса каменных материалов, поручаемых из природных горных пород; их запасы почти $ёзграничны,| и останавливаться на рассмотрении гРобальных запасов нерудного сырья не имеет смысла.
Строительный камень. Рациональные области применения строительного камня — кровельные работы (глиняная черепица), дорожное строительство (бордюрный камень), облицовка общественных зданий, создание надгробных памятников. Хотя с незапамятных времен камень служил и конструкционным материалом, и материалом для фундаментов, сейчас из этих областей применения он вытесняется бетоном; все другие области его использования определяются эстетическими соображениями. В зданиях, например, строительный камень используется преимущественно в качестве облицовочного материала.'Неудивительно, что производство пиленого, тесаного и другими способами формованного камня снижается в течение многих лет.
В нашем распоряжении нет цифр объемов производства и типов используемого камня в масштабах всего мира, но зато есть прекрасная документация о продукции США, которая, возможно, даст некоторое представление о состоянии дел в мире. В 1982 г. общий тоннаж строительного камня, добываемого в США, был равен 1,2 млн. т. Двумя наиболее популярными типами горных пород являются известняки и граниты, на которые приходится более 70 % всей продукции (рис. 8-2).
Рис. 8-2. Типы строительного камня, использовавшиеся в США в 1981 г. Хотя соответствующие данные по другим странам отсутствуют, можно предполагать, что приблизительно тот же спектр типов пород используется во всем мире. (По данным Горного бюро США.)
С какими проблемами сталкивается производство строительного камня? Если обнаружены камни приятного внешнего вида с хорошими физическими свойствами, то возникают обычно две проблемы: 1) как добыть горную породу, не нарушив ее целостности, что означает запрет на применение мощных взрывов, и 2) как вести разработку, чтобы природные трещины в горной породе помогали, а не были помехой при добыче камня?
Дробленые горные породы. Дробленый камень (бутовый камень, щебенка) производится в огромных количествах: в одних только Соединенных Штатах в 1982 г. его добывалось 800 млн. т, а показатель для всего мира превышает 2,5 млрд. т. Немногим более века прошло со времени Эли Уитни Блейка, который в 1858 г. изобрел дробильную машину, чтобы облегчить изнурительное, непроизводительное ручное дробление и получать щебенку, необходимую для постройки шоссе длиной две мили из Нью-Хейвена до Уэствилла (шт. Коннектикут). До этого времени все породы дробились вручную.
Дробленый камень используется главным образом для отсыпки полотна дорог и в качестве заполнителя в бетоне, хотя около 14 % камня, в основном известняка, используются в качестве сырья для производства цемента. Наиболее широко используемые типы пород — известняки и доломиты, которые легко добываются и дробятся, но отличаются высокой прочностью. Базальт и другие темноокрашенные тонкозернистые изверженные породы, обычно называемые в строительной индустрии трапповыми, стоят на втором месте (рис. 8-3). Единственное требование, предъявляемое к этому виду сырья,— выход пород на поверхность. Камнедробилки каждый может видеть (и слышать!) в любом месте земного шара.
Песок и гравий. Песок и гравий, подобно дробленому камню, широко используются для отсыпки полотна высокоскоростных дорог и в качестве заполнителей для бетона, а требуются даже в больших количествах. В 1982 г. общее их потребление в США составило 835 млн. т. Пески состоят из минеральных зерен диаметром менее 2 мм; частицы минералов и горных пород в
Рис. 8.3. Типы горных пород, наиболее широко использовавшиеся в США в 1981 г. для получения дробленого камня. (По данным Горного бюро США.)
гравии по размерам больше. Тоннаж потребляемого гравия в два раза больше, чем песка.
Залежи песка и гравия порождаются потоками воды. Свою округлость зерна получают под воздействием постоянного и быстрого движения воды, а разделение по размерам осуществляется по весу обломков. Более мелкие зерна уносятся в низовья рек или в море. Местные ресурсы песка и гравия могут быть ограниченными, особенно в равнинных районах и в местах, лишенных крупных рек. Там, где ресурсы суши истощаются слишком быстро, можно разрабатывать прибрежные морские песчаные банки. Интересная ситуация сложилась в прибрежных областях, расположенных выше 40° с. ш. в Европе и Северной Америке. Из-за большой плотности населения здесь высокие потребности в песке и гравии. Однако известно, что в этих широтах на континентальных окраинах (шельфах) имеются крупные месторождения песка и гравия, которые сформировались во время последней ледниковой эпохи. В этих районах можно либо добывать камень в карьерах и дробить его, либо добывать песок и гравий драгированием со дна моря. В настоящее время ежегодно на западном побережье Европы вычерпываются песок и гравий на готни миллионов долларов. В небольшом масштабе драгирование ведется в Северной Америке, и ожидает-
ся что оно возрастет в ближайшие годы, особенно на побережье штатов Нью-Джерси, Нью-Йорк и Новая Англия.
Гравийные отложения редки или совсем отсутствуют на тропических побережьях. Например, вокруг Мексиканского залива пески можно найти в дельтах рек, а гравий практически не встречается. Изверженные и метаморфические горные породы не выходят на поверхность побережья Мексиканского залива, поэтому нет исходных твердых пород, которые бы разрушались. В этих условиях грубым строительным материалом являются только древние пласты ракушечника, сложенного в основном раковинами устриц, клам и обломками коралловых рифов. Из-за ограниченности запасов этих материалов такие районы, как южный Техас, Луизиана и Флорида, вынуждены ввозить гравий или дробленый камень.
Продукты переработки горных пород
Продукты переработки горных пород используются с того дня, когда некто впервые слепил из глины предмет и обжег его в очаге. В настоящее бремя перерабатывается и используется исключительно широкая гамма материалов, но только пять их видов имеют особо важное значение.
Цемент* Слово цемент относится к вяжущим материалам. Отдельно цемент не используется, а добавляется к песку, гравию, щебню, ракушкам и другим заполнителям, чтобы сделать известковый раствор или бетон своеобразным «мгновенным камнем». Бетон должен содержать не менее 15 % цемента.
Предшественник современного цемента был открыт инженерами Древнего Рима. Они обнаружили, что вода, добавленная к смеси негашеной извести (СаО, получаемой нагреванием или кальцинированием известняка) и измельченного вулканического стекла из окрестностей Поццуоли (вблизи Неаполя), вызывает серию реакций, которые приводят к раскристаллизации и отвердению
емеси. Получающаяся масса оказалась устойчивой и в воде, и на воздухе. Этот цемент, известный под названием пуццолановыйцемент, римляне использовали во многих своих инженерных шедеврах. Еще и сегодня, правда в небольших масштабах, применяются подобные материалы. В пуццолановом цементе один из ингредиентов (негашеная известь) кальцинируется, чтобы пё- ревести его в форму, способную к реакции; другой ингредиент — вулканическое стекло — является природным реагентом. Правда, вулканическое стекло также существенно кальцинировано природными процессами в ходе вулканического извержения. И не сразу был поставлен -вопрос, все ли ингредиенты должны быть кальцинированы, если составы исходных пород выбраны правильно? Когда римляне ответили на этот вопрос, они тем самым открыли секрет приготовления цемента.
В период средневековья «секрет» был утерян, а затем вновь открыт в 1756 г' Джон Смитон, британский инженер, привлеченный для проектирования и строительства Эддистонского маяка, искал вяжущие материалы, которые могли бы твердеть и оставаться прочными в морской воде. Говорят, что он переоткрыл формулу римского цемента, читая латинские документы. В Европе цементы вскоре стали популярны и были объектом многочисленных экспериментов. В 1824 г. другой англичанин Джозеф Аспидин запатентовал формулу портландцемента, называемого так за цветовое сходство5 с портландским камнем — известняком, широко использовавшимся в строительстве. Портландцемент вскоре вытеснил все другие виды цемента и сегодня является самым распространенным конструкционным материалом в мире| Цемент применяется в два раза больших количествах, чем^ все другие вместе взятые конструкционные материалы.
Производство портландцемента растет неравномерно, но непрерывно по мере роста народонаселения и внедрения технологических новшеств. Ожидается, что рост будет продолжаться, особенно в тех странах, где уровень жизни поднимается наиболее быстро. Неудивительно, что крупнейшими производителями и потребителями цемента являются Промышленно развитые страны: (табл. 8-1). . -
Таблица 8-1. Производство цемента в 1982 г.
Страна
Производство, т
Доля миро- ' вого производства, %
СССР
127-10е
14,3
Китай
86-10®
9,7
Япония
85-10е
9,6
США
58-ГО6
6,5
Италия
41-10е
5,6
ФРГ
33-10®
3,7
Франция
27-10е
3,1
Страны мира в целом
889-10®
Ж0,0
Производство цемента оценено для 117 стран, что на 10 стран боль ше, чем в предыдущем десятилетии. За эти десять лет доля стран в его мировом производстве изменилась — снизилась для СССР и США и возросла для Японии и Китая. Во многих странах запасы выпускаемого цемента существенно превышают текущее производство. (По материалам Горного бюро США.)
Портландцементы имеют широкий ряд составов в зависимости от области их применения. Они получаются нагреванием размолотых пород определенного состава до температуры приблизительно 1480 °C. В результате такого прокаливания из породы удаляется вода и двуокись углерода и происходит ее частичное плавление до стекла. Образующийся в результате клинкер дробится до пудры, после чего он готов к использованию; когда пудра смешивается с водой, происходит серия химических реакций, в ходе которых образуются новые соединения, и за счет срастания кристаллов повышается твердость застывающей массы.
Исходным материалом для портландцемента (рис. 8-4) служит соответствующая смесь доломита или известняка (или слегка доломитизированного известняка) со сланцем или глиной. Поскольку главным ингредиентом является известняк, цементные заводы обычно располагаются вблизи подходящих его источников, а другие ингредиенты подвозятся. Самым лучшим сырьем является частично загрязненный известняк, в котором -примесь представлена глиной требуемого состава. Залежи такого сырья встречаются часто, и за счет пород
Рис. 8-4. Типичные смеси материалов, необходимых для производства широко используемого портландцемента.
цементного состава в настоящее время производится приблизительно 20 % продукции цемента.
Алебастр. Алебастр, получаемый путем нагревания или кальцинирования гипса (CaSO4*2H2O),— один из старейших строительных материалов. В 1982 г. мировое производство алебастра составляло 75 млн. т и продолжает неуклонно расти. Кальцинирование гипса при 177 °C быстро высвобождает 75 % воды и превращает гипс в новое соединение 2CaSO4*H2O, которое обычно называют парижским алебастром (в честь знаменитых гипсовых карьеров на севере Парижа, из которых добывался гипс и затем производился алебастр особенно высокого качества). Когда парижский алебастр смешивается с водой, он превращается в тонкозернистую массу мельчайших сросшихся кристалликов гипса. Алебастр может использоваться отдельно, смешиваться с песком или монтироваться в оклеенные бумагой плиты сухой штукатурки, готовые к сборке. Кроме того, существуют и другие области применения алебастра. Приблизительно 20 % его используются в сельском хозяй-
стве в качестве добавок в почвы для нейтрализации щелочности, а подавляющая часть добавляется в цемент, чтобы замедлить процесс его застывания.
В гл. 7 рассматривалось осаждение Са5О< в эвапоритах. Осаждение может происходить в одной из двух форм — гипса или ангидрита CaSO4, называемого так потому, что он не содержит кристаллизационной воды. Какая из двух форм осаждается, определяется температурой. Для ангидрита благоприятны более высокие температуры; в жарком климате, где образуется основная часть эвапоритов, ангидрит является обычным минералом. Ангидрит проявляет тенденцию к гидратации и превращению в гипс аналогично тому, как это происходит с парижским алебастром; большая часть сырья, которая сейчас добывается в виде гипса, первоначально была ангидритом.
Гипс и ангидрит широко распространены; они встречаются чаще, чем соль, но реже, чем известняк, и известны во всем фанерозойском разрезе. Опубликованная Геологической службой США карта ресурсов показывает, что примерно 10 % территории страны подстилаются гипсоносными породами, что свидетельствует о больших потенциальных ресурсах. Так, по оценке Горного бюро США, запасов в одних только Соединенных Штатах хватит на 2000 лет при предполагаемых уровнях производства.
Глины. В настоящее время применяется такое множество строительных огнеупорных керамических материалов, что было бы бессмысленно обсуждать каждый из них в отдельности. Большая их часть получается из глины, которой можно придать требуемую форму, после чего произвести обжиг до твердого состояния. Получаемые таким образом кирпичи применялись по меньшей мере со времен Вавилонского царства. Самые ранние кирпичи были не очень крепкими, так как они подвергались сушке только на солнце. Позднее, особенно в эпоху расцвета Римской империи (примерно 2000 лет назад), высокая прочность кирпича достигалась печным обжигом и покрытием поверхности глазурью. В средние века искусство кирпичного дела по существу было утеряно. Со временем в Европе в XIII в. была
возрождена индустрия изготовления обожженных кирпичей. Добыча глины для строительной керамики постоянно увеличивалась — сначала для изготовления кирпичей, а позднее для производства черепицы, дренажных труб и других целей. В 1982 г. добыча одной лишь глины составляла 35 млн. т. Из них 65 % использовались для производства строительных керамических изделий, таких, как кирпичи, канализационные трубы, кафель и специальные виды цемента. Большая часть глины используется также в производстве высококачественной керамики, облегченных бетонов, наполнителей для бумаги, пластмасс, резины и краски, в качестве абсорбентов экскрементов на фермах и при очистке нефти, в глинистых промывочных растворах при бурении нефтяных скважин и в производстве глиняной посуды.
Глины образуются в процессе выветривания на поверхности Земли. Они могут накапливаться в виде остаточных месторождений (см. разд. «Алюминий» в гл. 5) или переноситься и откладываться в виде осадочных глинистых пластов. И перенесенные, и остаточные глины вскоре начинают литифицироваться; по мере захоронения они дегидратируются, прогреваются и становятся твердыми породами. Среда их нахождения — земная поверхность и неглубокие зоны земной коры. Поэтому, подобно другим ресурсам строительных материалов, глины обычно добываются из поверхностных месторождений в крупных карьерах, которые не должны быть слишком удалены от потребителя.
Запасы глин настолько велики, что лишь немногие страны пытались оценить их. В США, например, по данным Горного бюро, одних только запасов более чем достаточно для добычи в XXI в. при предполагаемой скорости роста потребления. Потенциальные ресурсы — гораздо больше.
Стекло. Не сразу можно сообразить, что стекло как промышленный продукт относится к той же категории, что кирпич и цемент, но его производство базируется на аналогичном сырье и получается оно сходным образом. Сейчас стекло успешно конкурирует со многими более древними и более традиционными конструкционны-
ми материалами, и его потребление быстро растет.
Стекло получают плавлением горных пород или минералов, при этом закалка их столь быстра, что зародыши кристаллов не успевают возникнуть. С одними материалами эти процессы идут быстрее, чем с другими, но особенно быстро — с кремнеземом SiO2, получаемым обычно из кварца песчаных пород. Кварц имеет очень высокую точку плавления (1713 °C), для снижения которой в исходный материал добавляют ингредиенты типа СаО (из известняков), Na2O (из карбоната натрия) и буру.
Асбест. Асбест — название волокнистых разновидностей многих минералов. Один из них — хризотил MgsS^Os [ОН] 2 является волокнистой разновидностью серпентиновых минералов; он довольно распространен и имеет такие прекрасные физические свойства, что на него приходится более 90 % всех добываемых асбестов. Из других минералов, используемых благодаря своим асбестоформным свойствам, следует отметить крокидолит Na2Fe5Si8O22 [ОН] 2 и амозит [Mg, Fe] ?Si8O22 [ОН] 2, которые добываются главным образом в ЮАР. Крепкие и гибкие, асбестовые волокна могут быть переработаны в пряжу, подобно органическим волокнам, таким, как хлопок и шерсть. Получаемые продукты не боятся огня, являются хорошими электро- и термоизоляторами, имеют прекрасные износостойкие свойства и не поддаются воздействию многих коррозионных сред. Асбестовые волокна вместе с цементом используются для изготовления прочных, коррозионноустойчивых труб, кафеля для пола и кровельной черепицы, прокладок, тормозных колодок и других предметов специального назначения. Волокна длиной более 1 см используются преимущественно для изготовления нитей, эти же волокна применяются для электрической изоляции и других целей. Короткие волокна, скрепленные инертным материалом, таким, как портландцемент, идут для производства труб, шифера и стенных панелей, а таким, как виниловые пластмассы,— для производства черепицы.
Крупные месторождения хризотил-асбеста образуются, по-видимому, только одним способом — в резуль- 728*
тате близповерхностной гидратации и изменения минералов в перидотитах. Самым крупным продуцентом асбеста является СССР. Второе место принадлежит Канаде, хотя она заметно уступает Советскому Союзу. Большая часть канадского хризотила извлекается из пояса измененных перидотитов, идущего в северо-восточном направлении через провинцию Квебек и протягивающегося в штат Вермонт, где прежде Соединенными Штатами велась небольшая добыча. Хотя серпентиниты не так уж редки в горных районах, асбесты по своим запасам сходны с редкими металлами — лишь небольшая часть серпентинитовых массивов содержит крупные, коммерчески выгодные для эксплуатации месторождения. Крокидолит, или голубой асбест, является продуктом метаморфизма низкой ступени; он встречается в полосчатых железистых кварцитах типа Лейк- Сьюпириор. Крупнейшие в мире запасы асбеста сосредоточены в двух ведущих по добыче странах — СССР и Канаде (табл. 8-2).
СтранаСтранаТаблица 8-2. Главные страны — продуценты асбестовых минералов (в основном хризотила) в 1981 г. *
Страна
Страна
Производство, т
СССР2,22-106
Канада1,13-106
Китай0,25-106
Зимбабве0,25-106
ЮАР20,24-106
Бразилия0,18-106
Страны мира в целом4 73-Ю6
* Судя по сообщениям, запасы превышают 100-106 т. В том числе большое количество крокидолита.
За последние годы добыча и применение асбестоподобных минералов заметно снизились, что отчасти объясняется замеченной их канцерогенностью. Существует ли такая опасность, присуще ли это свойство всем или только некоторым волокнистым минералам, связано ли
оно с волокнами определенного размера — до конца не ясно, но пока не проведены серьезные проверки, можно полагать, что добыча асбеста не безопасное дело.
Неметаллические полезные ископаемые в будущем
Для большинства неметаллических полезных ископаемых будущее выглядит оптимистичным. Запасы их значительны, а потенциальные ресурсы еще больше. Некоторые виды сырья — типа строительного камня — настолько обильны, что нет необходимости в количественной оценке их запасов. Некоторые специалисты считают, что к неметаллическим полезным ископаемым следует относиться так же, как к месторождениям распространенных металлов, и что общество должно искать пути использования неметаллического сырья в качестве заменителей редких металлов и других ограниченных видов сырья. По-видимому, это возможно, ибо стеклянные волокна уже стали использоваться для передачи телефонных разговоров. Если замена металлов неметаллами получит широкое развитие, само общество, возможно, будет выглядеть совсем иначе, чем сейчас. Исследования в области материаловедения и научно-технический прогресс могут сделать неметаллические полезные ископаемые еще одним видом распространенных и пока неиспользуемых ресурсов.
Глава 9 Вода
...чистая вода становится критическим ресурсом, распространенность которого вскоре положит верхний предел экономическому развитию некоторой части населения страны и неизбежно приведет к этому в более широких масштабах спустя полвека или даже раньше. Благоразумие требует, чтобы государство научилось управлять запасами воды с должным пониманием проблемы и с максимальной эффективностью. Время, которое нам отпущено на такое обучение, ничтожно мало. (Л. М. Piper, U. S. Geological Survey, Water-Supply Paper № 1797, 1965.)
/ Вода столь насущный ресурс, что было бы бессмысленно пытаться установить ее денежную стоимость; она является самым ценным из всех наших ресурсов. Чтобы выжить, человеку требуется по крайней мере 1,4 л воды в день. Наше тело почти на 70 % (по массе) состоит из воды. Почвам необходима вода для поддержания жизни растений. Без гидросферы не было бы жизни на Земле|
Большая ч^ть воды заключена в минералах земной коры, однако ресурсы мы вынуждены черпать из свободной воды гидросферы. Общее количество воды в гидросфере оценивается в 1,36-109 км3, или 1,35-1021 л, но распределена она очень неравномерно (рис. 9-1): 97,2 % сосредоточены в океане, а другие 2,15 % заключены в полярных ледяных шапках и ледниках. Остальные 0,65 % воды в гидросфере составляют ту часть, на которую мы в настоящее время можем рассчитывать. Вода быстро была бы израсходована, если бы ни хорошо известный ее круговорот в природе (рис. 9-2). Цикл испарения под действием солнечного тепла плюс транспирация \ сменяемые конденсацией и атмосферными осадками, обеспечивают постоянный запас воды и делают ее возобновляемым ресурсом. Следовательно, вопросы о наличии и потреблении воды мало связаны
Процесс испарения воды растениями.— Прим, перев.
Поверхностные воды
Водные объекты
Объем воды, л
объема воды, %
Пресноводные озера
125 • 1015
0,009
Соленые озера и внутренние моря
104 • 1015
0,008
Русла рек (среднее)
1 • 1015
0,0001
Подземные воды
Вадозные воды, включая почвенную влагу
67 • 1015
0,005
Подземные воды на глубине до полумили
4,170 • 1015
0,31
Глубоко залегающие подземные воды
4,170 • 1015
0,31
Другие водные объекты
Ледяные шапки и ледники
29 000 • 1015
2,15
Атмосфера
13 • Ю15
0,001
Мировой океан
1 320 000- 1015
97,2
Рис. 9-1. Распределение воды в гидросфере. (По данным Геологи ческой службы США.)
с общими запасами, а зависят в основном от местного ее распределения и местных норм потребления. Некоторые области хорошо обеспечены водой, другие же бедны ею. Ресурсы воды, более чем любой другой фактор, определяют предельную численность населения региона.
Распределение атмосферных осадков
Осадки распределены по земной поверхности крайне неравномерно. Пояс обильных дождей приурочен к экватору, к которому с флангов примыкают два пустын-
Рис. 9-2. Гидросфера и гидрологический цикл. (Поданным A. L. Bloom, The Surface of the Earth, Prentice-Hall, 1969.)
ных или засушливых пояса] (рис. 9-3). В Соединенных Штатах, где имеется большая информация о гидрологическом цикле, в среднем в виде дождя и снега ежегодно выпадает 5,88-1015 л воды. Выпадение атмосферных осадков очень неравномерно: их количество изменяется в 20 раз и более при пересечении больших провинций (рис. 9-3). Лучшим примером такой неравномерности распределения осадков по районам, является тот факт, что на территорию США восточнее реки Миссисипи приходятся 65 % суммарных осадков (исключая Аляску и Гавайи), в то время как на территорию западнее Миссисипи — только 35 %.
Помимо географической неравномерности в распределении осадков отмечается и неравномерность их выпадения во времени. Сезонные колебания здесь очевидны, но и в количестве осадков существуют большие флуктуации, связанные с долговременными и^до сих пор необъяснимыми циклами погоды (рис. 9-4)fbo- да является возобновляемым ресурсом, но скорость возобновления не является ни постоянной, ни единой
9 Б. Скиннер9 Б. СкиннерРис. 9-3. Среднее количество осадков в разных регионах мира. Отметим, что для восточной половины Северной Америки типичны обильные дожди, тогда как западная половина сравнителльно засушлива.Рис. 9-3. Среднее количество осадков в разных регионах мира. Отметим, что для восточной половины Северной Америки типичны обильные дожди, тогда как западная половина сравнителльно засушлива.
9 Б. Скиннер
9 Б. Скиннер
Рис. 9-3. Среднее количество осадков в разных регионах мира. Отметим, что для восточной половины Северной Америки типичны обильные дожди, тогда как западная половина сравнителльно засушлива.
Рис. 9-3. Среднее количество осадков в разных регионах мира. Отметим, что для восточной половины Северной Америки типичны обильные дожди, тогда как западная половина сравнителльно засушлива.
Сток, тыс.Сток, тыс.ГодыГодыРис.. 9-4. Изменчивость стока Миссисипи вблизи Киока (шт. Айова), отражающая необъяснимые долговременные изменения в дождевых осадках и климате бассейна реки. (По данным Геологической службы США.)
Сток, тыс.
Сток, тыс.
Годы
Годы
для различных регионов. Следовательно, чтобы эффективно использовать и распределять имеющуюся в наличии воду, требуются системы хранения воды и средства ее подведения. Строительство плотин, водохранилищ и распределительных систем невозможно без минеральных и материальных ресурсов — цемента, труб, насосов и вентилей, что служит наглядным примером множественной зависимости использования одного ресурса от наличия других ресурсов^ )
Испарение и транспирация
j Вода испаряется с любой увлажненной поверхности. Значительная часть дождя, выпадающего на сушу, таким образом возвращается в атмосферу. Кроме того, вода поглощается корневой системой растений, поднимается по стволам и ветвям в виде сока, а затем удаляется с поверхности листьев в результате процессов, во многом идентичных испарению. Два явления — испарение и транспирацию — невозможно разделить по эффективности возвращения дождевой воды в атмосферу, однако можно оценить их суммарный вклад, который принято называть фактором испарения и транспирации. Например, часть дождя, выпадающего над США, которая возвращается в атмосферу в результате испарения и транспирации, равна 70 %. Для Земли в целом — приблизительно 62 % (см. рис. 9-2). В таких засушливых странах, как Австралия, эта доля больше, а в менее засушливых, таких, как Великобритания,— меньше.
Воду, возвращающуюся в атмосферу в результате испарения и транспирации, практически нельзя использовать, если не считать, что полезные растения можно выращивать вместо бесполезных. Эту воду нелегко удержать и использовать для промышленных и других целей, пока она вновь не выпадет в виде дождя.
В районах с низким количеством атмосферных осадков растительный покров развивается так, что все осадки используются на испарение и транспирацию, и ничего не остается для стока в ручьи и реки. Сезонные дожди смягчают категоричность этого утверждения, поскольку в периоды проливных дождей потоки возникают даже в самых сухих областях. В общем случае, как только уровень испарения и транспирации, обусловленной мощным растительным покровом, превысит количество атмосферных осадков, водные потоки прекращают свое существование. И наоборот, если уровень испарения и транспирации ниже уровня количества осадков, возникают водные потоки. .
Если уровень атмосферных осадков превышает уровень испарения и транспирации, то образуется постоянный водный поток, который относится к поддающейся использованию доли дождя и снега. Доступная для использования вода — это та доля атмосферных осадков, которую можно хранить и распределять, т. е., другими словами, вода, подвластная воздействию человека^ В масштабах Соединенных Штатов Америки доступная для использования часть воды составляет примерно 30 % суммарных осадков, или приблизительно 1,77-1015 л/год. Почти вся восточная половина США плюс небольшой район на северо-западном побережье Тихого океана испытывают избыточное увлажнение, тогда как большая часть страны к западу от Миссисипи страдает от недостатка воды. Значительная часть этой территории относится к засушливым и полузасуш- ливым районам.
Грунтовые воды
Лишь атмосферные осадки являются «вечным» запасом воды, доступным на длительную перспективу, однако существует и очень важный временный ее резерву-
9*
ар. Все разновидности воды, присутствующие в недрах Земли, обычно называются подземными водами. Это один из наших наиболее важных водных ресурсов/к сожалению, он восполняется часто настолько медленно, что забор воды в больших количествах может вызвать серьезное локальное истощение подземных вод. В. некоторых областях действительно скорость возобновления настолько медленная, что подземные воды должны рассматриваться как невозобновляемый ресурс! Подземные воды обычно делятся на три взаимосвязанные массы воды: грунтовые, вадозные и почвенные воды. Ниже уровня поверхности суши существует зона, где все пористые и кавернозные породы насыщены водой. Это грунтовые воды. Верхняя поверхность зоны насыщения называется водным зеркалом, которое может выходить на дневную поверхность, например в озерах или реках, или может находиться в сотнях метров ниже ее, но существует оно почти всегда. Вода ниже водного зеркала, просачиваясь через породы, медленно течет в сторону морей или внутренних бассейнов (см. рис. 9-2). Таким образом, подземную воду можно рассматривать как большую и очень медленную реку. (Время нахождения грунтовых вод в подземных условиях, определяемое как время, необходимое чтобы достигнуть моря, колеблется в пределах нескольких суток — сотен тысяч лет. Водное зеркало не является горизонтальным. Из-за различий в сопротивлении, оказываемом горными породами течению грунтовых вод, оно имеет тенденцию, с одной стороны, быть неправильной формы, а с другой — отражать топографию лежащей над ним поверхности Земли (рис. 9-5).
Вадозные водыВадозные водыРис. 9-5. Взаимосвязь между подземными водами, водным зеркалом и топографией.Рис. 9-5. Взаимосвязь между подземными водами, водным зеркалом и топографией.
Вадозные воды
Вадозные воды
Рис. 9-5. Взаимосвязь между подземными водами, водным зеркалом и топографией.
Рис. 9-5. Взаимосвязь между подземными водами, водным зеркалом и топографией.
1 Над водным зеркалом располагается ненасыщенная область вадозных вод. Зона почвенных вод (почвенной влаги) лежит близко к поверхности, где обильны корни растений. Почвенная влага не перемещается ни вверх, ни вниз, а удерживается на поверхности минеральных зерен. Несколько глубже, но еще в ненасыщенной зоне, вадозная вода медленно просачивается вниз, где она соединяется с грунтовыми водами. Вадозные воды в от
личие от грунтовых не могут рассматриваться в качестве
ресурсов, но именно эти воды призваны пополнять — исключительно медленно — воду, забираемую из зоны грунтовых вод.
Количество подземных вод огромно (рис. 9-1): согласно оценке, оно в 3000 раз больше объема воды во всех реках в любой момент времени. Чтобы перечислить главные проблемы, связанные с грунтовыми водами, достаточно трех пальцев. Во-первых, там, где пористость
горных пород низкая, а проницаемость незначительная, забор воды скважинами происходит чрезвычайно мед
ленно, и поэтому подавать ее можно только малыми порциями]Для адекватного извлечения воды, таким обра
зом, требуются соответствующие пористость и проницаемость пласта напорных вод. Во-вторых, пополнение
вод происходит очень медленно, потому что подавляющая часть атмосферных осадков стекает в реки,’ Подсчитано, например, что если откачать всю воду в США до глубины 750 м, то понадобится примерно 150 лет, чтобы «перезарядить» ресурсы грунтовых вод. Естественно, что для одних областей на это потребовалось бы больше времени, чем для других. Вопросы скорости возобновления подземных вод исключительно важны, так как приблизительно 70 % всей воды, используемой сегодня в США, приходятся на подземные воды. Это справедливо даже для хорошо обводненных территорий восточной части страны. Во многих городах подземная вода сначала закачивается в поверхностные резервуары, после чего ее направляют по водопроводу потребителям. Если скорость подачи воды скважинами выше скорости ее пополнения, то грунтовые воды существенно истощаются. Это острая проблема сегодняшнего дня в районах засушливого юго-запада США, где вода подавалась из недр для орошения со скоростью, превышаю-
щей в 100 раз скорость ее восполнения. Если забор воды полностью прекратился бы, то потребовалось бы 100 лет и более, прежде чем восстановилась израсходованная вода. Аналогичные проблемы (иногда даже с большими периодами возобновления запасов вод)? возникают во многих засушливых районах земного шара.
И наконец, существует проблема качества грунтовых вод. Когда вода просачивается через горные породы, происходит растворение их более растворимых со-
Рис. 9.6. Районы» США, подстилаемые водоносными горизонтами, способными подавать из отдельных скважин воду, содержащую 0,2 % и менее растворенных твердых веществ, со скоростью 190 л/мин. (По данным Н. Е. Thomas, 1955.)
ставляющих- Количество растворенного вещества колеблется в зависимости от объема породы, глубины на- хождения воды, скорости ее течения и других факторов. В общем случае вода, содержащая более 0,05 % (500 ч частей на миллион) растворенных солей, непригодна для использования человеком. Если в воде содержится более 0,2 % солей, то ее применение практически исключается. Лишь в некоторых сугубо специфических целях могут использоваться воды с содержанием около 1 % солей. Значительная территория США подстилается горными породами, которые достаточно пористы и проницаемы, чтобы служить водоносным горизонтом, обе-
спечивающим подачу в скважины воды хорошего качества со скоростью истечения 190 л/мин и более (рис. 9-6). Разумное освоение и использование этих ресурсов в настоящее время представляют предмет работ большого числа способных ученых и инженеров.
Нормы потребления и запасы воды
В 1965 г. гидрогеолог в докладной записке правительственному ведомству США утверждал, что «...во всех районах [США] или уже возникли, или возникнут проблемы водоснабжения. Даже хорошо обводненные восточные и южные штаты уже испытывают беспокойство по этому поводу, которое на засушливом западе проявлялось с момента его заселения. По мере того как развитие промышленности и урбанизация продвигаются на восток, становится очевидным, что нехватка воды может задержать наше развитие, если не принять мер, гарантирующих надежное водоснабжение». Действительность подтверждает, насколько это заявление справедливо. Аналогичные выводы можно сделать для многих районов земного шара. Малые и крупные города, например в штате Коннектикут, которых раньше не касались проблемы водоснабжения, с недавних пор вынуждены ограничивать потребление воды.
Существующее ныне использование атмосферных осадков в США показано на рис. 9-7. Приблизительно 8 % дождевых осадков, выпадающих в США и дающих до 0,42-ГО15 л воды, забираются для нужд промышленности, орошения и городского водоснабжения. Конечно, не вся вода потребляется в единичном цикле применения. Вода, используемая для охлаждения промышленных установок, например, может возвращаться в реки и использоваться повторно. Однако вода мелиоративных систем в большей своей части уходит на испарение и транспирацию и, следовательно, теряется. Подсчитано, что 25 % всей воды, потребляемой сейчас в США, используются именно таким образом и теряются Для дальнейшего использования.
Принимая в расчет долю потребляемой воды и рост населения в будущем, специалисты подсчитали, что к 2000-у году использование воды в США может достичь
ОсадкиОсадки5,88 • 1015 л/год5,88 • 1015 л/год|70%
Осадки
Осадки
5,88 • 1015 л/год
5,88 • 1015 л/год
Испарениеи транспирация
Пастбища и поля (23%) Леса и другая полезная растительность (16%) Не использованные в хозяйстве (31%)
Орошение (3,4%)Промышленность (3,4%)Орошение (3,4%)Промышленность (3,4%)Бытовые расходы (0,6%)Бытовые расходы (0,6%)Рис. 9-7. Распределение и использование ежегодных осадков в Соединенных Штатах. (По данным A. Wolman, Water Resources, Pub. 1000-B, Committee on Natural Research Council, Washington, D. C., 1962.)
Орошение (3,4%)
Промышленность (3,4%)
Орошение (3,4%)
Промышленность (3,4%)
Бытовые расходы (0,6%)
Бытовые расходы (0,6%)
объема, эквивалентного 81 % всего речного стока. Значительная часть потребляемой воды будет поступать из грунтовых вод, тем не менее очевидно, что везде, где это только возможно, необходимы разумное управление водными ресурсами и многократное их использование.
Речной сток изменяется во времени, однако наши потребности в воде редко совпадают с циклом стока. Мы вынуждены строить плотины, водохранилища и распределяющие системы, для того чтобы излишки стока, возникшие в полноводные сезоны, могли сохраняться и служить запасом в засушливые сезоны. Поступая так, мы создаем большие открытые резервуары и озера, из-за чего неизбежно растут потери от испарения. Хотя эксперты расходятся во мнениях, существует оптимистическое утверждение, что не менее 90 % речного стока может быть использовано. Эта оценка, оснрванная на предположении, что будут преодолены все инженерные трудности и разрешены все политические проблемы, близка к предсказанным потребностям в воде в 2000-м
году. Весьма реальной становится мысль, настойчиво выраженная доктором Пайпером \
Атмосферные осадки, речные потоки и подземные воды относятся к категории «запасов», а океаны и полярные ледяные шапки — к потенциальным ресурсам, но использование как тех, так и других весьма проблематично. Морская вода должна быть обессолена (другими словами, избавлена от солей), а полярный лед, хотя и представляет собой пресную воду, должен быть каким-то образом доставлен к местам потребления. Уже действуют многие заводы по обессоливанию морской воды, работающие на принципах дистилляции, однако затраты на их строительство и необходимые энергетические мощности делают обессоленную воду очень дорогой — 20—40 центов за 1000 л. Это по меньшей мере в 10 раз больше стоимости воды из самых дорогих резервуарных систем, используемых для ирригации. Пресная вода, полученная дистилляцией, стоит почти столько же, сколько вода, доставляемая в наши дома системами городского водоснабжения. Использование же полярного льда пока даже не испытано. Согласно проекту, разработанному в 1960-х годах, предполагалось отбуксировать айсберг толщиной 250 м при ширине и длине 3000 м от Антарктиды к засушливому западному берегу Австралии. Стоимость такой транспортировки оценивалась в 1 млн. долл. Если бы айсберг был упакован в пластиковый мешок, предупреждающий плавление льда и смешение пресной воды с морской, то 790* 109 л воды можно было бы доставить за конкурентоспособную цену для орошения.
Одноразовое использование воды и ее повторное вовлечение в различные циклы связаны с проблемой загрязнения, которая не существует для других видов ресурсов. Все проекты и дискуссии по использованию воды подразумевают, что вода всегда имеет соответствующую чистоту. Серьезность проблемы загрязнения воды самоочевидна. По мере возрастания доли воды, забираемой из реки, становится все менее возможным осуществлять сброс загрязненных сточных вод в русло
Имеется в виду высказывание А. М. Пайпера, приведенное в эпиграфе к данной главе.— Прим, перев.
той же реки, так как даже небольшое количество отработавших вод может загрязнить всю реку и сделать ее непригодной для водоснабжения. Перед растущим населением планеты проблема водных запасов встанет довольно скоро. В высшей степени безрассудно пытаться решать эту проблему без контроля над загрязнением воды — это значит расточать наш самый ценный природный ресурс. Пока мы еще не очень прислушиваемся к советам экспертов. Сегодня в мире более миллиарда человек регулярно пьют воду, не отвечающую санитарным нормам, и по крайней мере половина из них в результате этого болеют. Неудивительно, что из-за загрязненной воды ежегодно умирают до 10 млн. человек (согласно оценкам). Многие проблемы водоснабжения особенно остро стоят в развивающихся странах. Более того, проблемы будут множиться до тех пор, пока правительства всех стран не уделят им самого пристального внимания.
Эпилог
Мы обманываем себя, когда пытаемся взглянуть на любой природный ресурс, возобновляемый или невозобновляемый — так, как будто его использование может быть изолировано от всех других ресурсов. Существующие схемы использования земных ресурсов настолько сложно взаимосвязаны, что использование каждого природного источника неизбежно влияет на объемы использования многих других ресурсов. Существующие схемы использования ресурсов развивались под влиянием определенного сочетания успехов в технологии, соответствующих экономических ситуаций и сложившегося общественного мнения. Изменения неизбежны и в будущем в ответ на появление технологических новшеств и соответствующих экономических обстоятельств.
Никто не может предсказать, как будут изменяться технологические и экономические возможности общества, поэтому нельзя предвидеть и изменения в использовании природных ресурсов. Некоторые минеральные ресурсы могут стать очень дорогими, так как их запасы ограниченны, а подходящих заменителей нет; другие же ресурсы могут стать обильными и недорогими, потому что непредвиденное технологическое открытие превратит непромышленный потенциальный ресурс в богатые руды. Взаимодействие между технологической изобретательностью, определенными экономическими ситуациями и имеющимися в нашем распоряжении природными ресурсами делает систему снабжения ресурсами очень гибкой. Но насколько гибкой, она окажется в действительности, покажет будущее. Выводы, завершающие гл. 6, относительно ограниченности редких в геохимическом отношении металлов наводят на мысль, что именно эта группа минеральных ресурсов, скорее всего, первой сделает проверку гибкости системы снабжения общества минеральным сырьем.
i Существует, однако, и другой важный аспект использования природных ресурсов. Он касается тех изменений, которые вносят в окружающую среду существующие способы добычи и переработки сырья. Мы не можем сжигать горючие ископаемые, не выбрасывая при этом в атмосферу некоторых ингредиентов, которые порождают кислотные дожди. Сократить количество подобных соединений мы можем, но полностью исключить их мы не в силах. Нам нельзя сжигать горючие ископаемые и выпускать в атмосферу двуокись углерода в количествах, превышающих возможности природных процессов, которые удаляют ее избыток из атмосферы, если, конечно, мы хотим сохранить ее состав неизменным. Когда население Земли было небольшим и нормы потребления на душу населения природных ресурсов составляли малую долю сегодняшних норм, изменения в окружающей среде и загрязнение воды были лишь местными проблемами. Теперь же эти явления приобрели глобальные масштабы. Так как использование природных ресурсов продолжает увеличиваться, увеличивается соответственно и интенсивность воздействия на окружающую среду. Поэтому возрастающее влияние на экологию животных и растений становится фактором, который необходимо учитывать, выбирая способы использования ресурсов. Безопасное захоронение радиоактивных отходов служит примером того, как осуществляется взаимодействие развития соответствующей технологии и контроля над загрязнением. Неразумно рассматривать вопрос о развитии систем атомных электростанций, пока не будет решена проблема полной безопасности и не найден приемлемый способ захоронения радиоактивных отходов.
Я подозреваю, что через один-два века общество придет к такому образу жизни, при котором большинство людей будут жить в городах с плотностью населения, во много раз превышающей плотность населения в большинстве нынешних городов, а земля, пригодная для ведения сельского хозяйства, будет использоваться для производства продуктов питания. Главным источником энергии будет Солнце, и, хотя я не знаю, каким образом энергия Солнца будет превращаться в электрическую, я подозреваю, что именно в этом виде она будет
распределяться и использоваться. Будущему обществу предстоит использовать преимущественно руды распространенных в геохимическом отношении металлов (железа и алюминия), а также имеющиеся в изобилии неметаллические полезные ископаемые, особенно те, которые идут на изготовление стекла. Редкие металлы все еще будут использоваться, но их потребление на душу населения существенно снизится по сравнению с сегодняшним уровнем, так как стоимость всех редких металлов, в том числе Си, РЬ и Zn, достигнет такого уровня, что станет уже невозможным их использование для большинства целей в строительстве или транспорте. Тем самым применение материалов и энергии уже не бу- дет так сильно зависеть от запасов.
( В ближайшем веке, по-видимому, не удастся решить экологические проблемы. На самом деле они, вероятно, станут еще острее. Это мрачное предположение основано на том, что население Земли возрастет и будет гораздо больше, чем сегодня. Поэтому трудно себе представить, чтобы миллиарды людей, живущих на такой небольшой планете, как Земля, не оказывали серьезного воздействия на окружающую среду.
Каким образом мировое сообщество достигнет стабильной численности и положения, при котором ресурсы будут одинаково доступны для каждого, предвидеть сложно. Однако можно предсказать, что период величайшего преобразования природы в области освоения ресурсов и изменения окружающей среды уже начался и будет продолжаться ближайшие 50—100 лет. Подтверждением тому служит и рис. 1-4, б, ибо это тот период, когда численность населения, вероятно, достигнет уровня, который почти невозможно себе представить — брлее 10 млрд., а может быть, и все 20 млрд, человек. Общество должно будет реагировать на нужды и чаяния этого громадного числа людей быстрее, чем смогут быть созданы новые технологии для решения вставших перед ним проблем. Короче говоря, решать насущные нужды придется в значительной степени на базе уже разработанных технологий и установленных типов ресурсов. Все это свидетельствует о том, что человечество стоит на пороге самого критического периода своего развития, который оно когда-либо переживало.
Литература
Общие вопросы
Probst D. Л., Pratt W. Р., eds., United States Mineral Resources. U. S. Geological Survey Prof. Paper 820, 1973.
Cloud P. E., Jr., Resources and Man. San Francisco: Freeman 1969.
Holdgate M. W., Kassag M., White F., eds., The World Environment 1972—1982. A. Report by the United Nations Environment Programme. Vol. 8 in the Natural Resources and Environmental Series. Dublin: Tycooly International Publishing, Ltd.
Lovering T. S., Minerals in World Affairs. Englewood Cliffs, N. J.: Prentice-Hall, 1943.
McDivitt J. F., Manners G., Minerals and Men. Baltimore: Johns Hopkins, 1974.
National Academy of Sciences, Mineral Resources and the Environment, a report prepared by the Committee on Mineral Resources and the Environment, Feb. 1975.
Skinner B. J., Turekian К. K., Man and the Ocean. Englewood Cliffs, N. J.: Prentice-Hall, 1973.
The Staff, Minerals Yearbook, Volumes I and II: Metals, Minerals and Fuels. U. S. Bureau of Mines, published annually.
Энергетические ресурсы
Aueritt P., Coal Resources of the United States, Jan. 1, 1967. U. S. Geological Survey Bull. 1275.
Gray T. J. Gashus D. K., Tidal Power. New York: Plenum Press 1972.
Hobson G. D., Tiratsoo E. N., Introduction to Petroleum Geology, 2nd ed. Beaconsfield, England: Scientific Press, 1981.
Levorsen A. L, Geology of Petroleum, 2nd ed. San Francisco: Freeman, 1967. [Имеется перевод: Леворсен А. И., Геология нефти и газа.— М.: Мир, 1970.]
National Research Council. Natural Gas from Unconventional Sources. Washington, D. C.: National Academy of Sciences, 1976.
Parent J. D., A. Survey of United States and Total World Production, Proved Resources, and Remaining Recoverable Resources of Fossil Fuels and Uranium. Chicago, Ill.: Institute of Gas Technology, 1983.
Tiratsoo E. N., Oil Fields of the World Beaconsfield, England: Scientific Press, 1973.
World Energy Council, World Energy Resources, 1985—2020; World Enegy Conference. Guilford, U. K.: IPC Science Tech. Press, 1980.
Рудные месторождения
Dixon С. 3., Atlas of Economic Mineral Deposits. Ithaca, New York: Cornell Univ. Press, 1979.
Douglas R. J. W., ed., Geology and Economic Minerals of Canada. Economic Geology Report No. 1, Geological Survey of Canada, 1970.
Hitchinson C. S., Economic Deposits and Their Tectonic Setting. New York: Springer-Verlag, 1983.
Jensen M. L., Bateman A. M., Economic Mineral Deposits, 3rd ed. New York: Wiley, 1979.
Maynard J. B., Geochemistry of Sedimentary Ore Deposits. New York: John Wiley and Sons, 1983. [Имеется перевод: Мейнард Д. Б., Геохимия осадочных рудных месторождений.—М.: Мир, 1985.1
Park С. F., Jr., MacDiarmid R. A., Ore Deposits, 2nd ed. San Francisco: Freeman, 1970. [Имеется перевод: Парк, Ч. Ф., Мак-Дормид Р. А., Рудные месторождения.—М.: Мир, 1966.J
Stanton R. L. Ore Petrology, New York: McGraw-Hill, 1972.
Titley< S. R., Advances in Geology of the Porphyry Copper Deposits. Southwestern North America. Tucson: Univ. Arizona Press, 1982.
Неметаллические полезные ископаемые
Bates R. L., Geology of the Industrial Rocks and Minerals. New York: Harper, 1960. [Имеется перевод: Бейтс P. Л., Геология неметаллических полезных ископаемых.— М.: Мир, 1965.]
Borchert Н., Muir R. О., Salt Deposits — The Origin, Metamorphism, and Deformation of Evaporites. Princeton: Van Nostrand, 1964.
Gillson J. L., oth., Industrial Minerals and Rocks. Seeley W. Mudd Series, 3rd ed. American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, 1960.
Водные ресурсы
Biswas A. K., History of Hydrology. Amsterdam: North-Holland Pub. Co., 1970. [Имеется перевод: Бисвас А. К., Человек и вода. Из истории гидрологии.— Л.: Гидрометеоиздат, 1975.]
Davis S. N., Dewiest R. Jw M., Hydrogeology. New York: Wiley, 1965.
Hunt C. A., Garrets R. M., Water, the Web of Life. New York: W. W. Norton and Co., 1972.
Leopold L. B., Water, A Primer, San Francisco: W. H. Freeman and Co., 1974.
McGuinness C. L., The Role of Ground Water in the National Water Situation. U. S. Geological Survey. Water-Supply Paper No. 1800, 1963.
U. S. Department of Agriculture, Water, The Yearbook of Agriculture, 1955.
Walton W. C., Groundwater Resource Evaluation. New York: McGraw-Hill, 1970.
Приложение
Таблица А-1. Единицы измерения
Множители и приставки для образования десятичных ных единиц и их наименования
кратных и доль-
Множитель
Наименование
| Множитель |
Наименование
109 = 1 000 000 000
106=1 000 000
103= 1000
102=100
1О' = 1О
гига мега кило гекто дека
10-‘ = 0,1 10-2=0,01 10-3=0,001 10-6=0,000001
Деци санти милли микро
Наиболее употребимые единицы физических величини соответствие между ними
Длина, площадь и объем
1 километр = 0,6214 мили
1 метр = 3,281 фута
1 сантиметр = 0,3937 дюйма
1 квадратный километр=0,386 квадратной мили
1 квадратный метр = 10,764 квадратного фута
1 гектар = 10 000 квадратных метров
= 2,471 акра
1 квадратный сантиметр = 0,155 квадратного дюйма
1 кубический километр = 0,240 кубической мили
1 кубический метр = 35,32 кубического фута
= 264,2 галлона (США)
1 литр = 0,264 галлона (США)
1 баррель (нефти) =42 галлонам (США)
Вес и масса
1 длинная тонна = 2 240 фунтам
1 короткая тонна =2 000 фунтам
1 тонна (метрическая) = 1000 килограммам = 0,984 длинной тонны
,Л =1,102 короткой тонны
1 килограмм = 2,205 фунта
Приложение 249
Энергия и мощность
джоуль = 0,239 калории
1 калория = 3,9685 • 10-3 британской единицы тепла (Btu)
киловатт час=103 ватт час
= 3,6*106 джоулей
= 3,413 британской единицы тепла
1 ватт = 3,4129 британской единицы в час
= 1,341 *10-3 лошадиной силы
= 1 джоуль в секунду
= 14,34 калории в минуту
В книге также употребляются приближенные значения:
баррель нефти весит приблизительно 136,4 килограмма
баррель нефти приблизительно эквивалентен 0,22 тонны угля
1 баррель нефти дает приблизительно 6,0* 109 джоулей энергии
1 тонна угля дает приблизительно 27,2*109 джоулей энергии
баррель цемента весит 170,5 килограмма
Таблица А-2. Основные рудные минералы и их мировое производство в 1982 г.
Элементы
Мировое производство, т
Основные рудные минералы
I. Геохимически распространенные металлы
Железо
788* 106 (железная руда со средним содержанием 60 % Ее)
Магнетит ЕезО4 Гематит Fe2O3 Гетит HFeO2 Сидерит ЕеСОз
Алюминий
12,9-106
Гиббсит H3AIO3
Диаспор НАЮ2
Бёмит НАЮ2
Каолинит Al2Si2O5(OH)4
Титан
4,10* 106 (ильменит) 353*1О3 (рутил)
Ильменит ЕеТЮз
Рутил ТЮ2
Марганец
20,9*106 (руды со средним содержанием 45 % Мп)
Пиролюзит МпО2
Псиломелан BaMn9Oi8*2H2O
Криптомелан KMneOie
Родохрозит МпСОз
Магний
274*1О3 (металл) 3,25 • 106 (магнезит)
Магнезит MgCOs
Доломит CaMg(CO3)2
II. Геохимически редкие металлы
К. Металлы, образующие сульфидные минералы
Медь
7,8*106
Ковеллин CuS
Халькозин Cu2S
Элементы
Мировое производство, т
Основные рудные минералы
Цинк
6,16-10®
Дигенит CU9S5 Халькопирит CuFeS2 Борнит Cu5FeS4 Тетраэдрит Cui2Sb4Si3
Сфалерит ZnS
Свинец
3,45-106
Галенит PbS
Никель
520-103
Пентландит (Ni, Fe)9S8 Гарниерит H4Ni3Si2O9
Сурьма
56,6-103
Стибнит Sb2S3
Молибден
84,4-103
Молибденит MoS2
Мышьяк >
28,0-103
Арсенопирит FeAsS Аурипигмент As2S3 Реальгар AsS
Кадмий
17-103
Замещает Zn в сфалерите
Кобальт
30-103
Линнеит Co3S4; замещает Fe в пирите
Ртуть
6,5-103
Киноварь HgS
Метакиноварь HgS
Серебро
11,3-103
Акантит Ag2S; замещает медь и свинец в их минералах
Висмут^
> 2,0-103
Висмутин Bi2S3
Продолжение табл. А-2
Элементы
Мировое производство, т
Основные рудные минералы
Продолжение табл. А-2
Олово238*103
Вольфрам42,7 • 103
УранНет данных
Ванадий33,0*103
фосфат; содержит торий в качестве изоморфной примеси)
Касситерит SnO2
Вольфрамит FeWO4
Шеелит CaWO4
Уранинит UO2
Карнотит K2(UO2)2*3H2O
Замещает Fe в магнетите Fe3O4
* Мировое производство оценено по производству платиноидов в целом (199 т) из расчета их распространенности в земной коре. (По данным Горного бюро США.)
Золото
1275
Калаверит АиТе2
Платина *
79,6
Креннерит (Au, Ag)Te2
Сильванит AuAg3Te2
Сперрилит PtAs2
Палладий *
79,6
Браггит (Pd, Pt)S
Куперит PtS
Арсенопалладинит Pd3As
Родий *
17,9
Майченерит PdBiTe Фрудит PdBi2 Браггит (Pd, Pt)S
Иридий *
11,9
—
Рутений *
8,0
Лаурит RuS2
Осмий *
2,0
Б. Самородные металлы
В. Металлы, образующие кислородсодержащие соединения
Бериллий109
Хром8,8*106
Ниобий16,7*103
Тантал420
ТорийНет данных
Берилл Ве3А12(5Юз)б
Хромит FeCr2O4
Колумбит FeNb2Oe
Пирохлор (Na, Ca)2Nb20eF
Танталит FeTa2O6
Монацит (редкоземельный;
Предметный указатель
Абразивные материалы 213
Австралия, минеральные ресурсы 29, 96, 97, 125, 126, 133, 136, 139, 173, 208, 214 предполагаемое использование полярного льда 241 энергия приливов 85
Агрохимическое сырье 194—211 для производства удобрений 194—211 потребление 25, 28
Азия, уголь 59 энергия воды 102
Азот 196—198 в атмосфере 47
Айрон-Спрингс, месторождение (шт. Юта) 119
Албания, минеральные ресурсы 29
Алгома, тип Fe-рудных месторождений 120, 123, 169
Алебастр 224—225
Алмазы 213—215
Алунит 135—137
Альмаден, месторождение (Испания) 181
Альпийские перидотиты 188
Алюминий 129—137 потребление на душу населения 25, 26, 28 ресурсы 130—137 цены 113
Амозит 227
Ангидрит 225
Андалузит 136, 137
Анортозиты 136, 137, 189
Антарктида, потенциальные ресурсы нефти и газа 71
Апатит 96, 204—207
Аргон 47
Асбест 227—229
импорт в США 29
Астеносфера 36, 38, 41, 42
Атмосфера 37, 47—49
Атомные электростанции, проблема безопасности 93—94, 98—99
экономические проблемы 92
Африка, алмазы 215
бокситы 133
производство Fe 114
энергия воды 102
Базальты 37
Белое море (СССР), энергия приливов 85
Бельгия, минеральные ресурсы 122
Биомасса 107
Биосфера 37, 48
Бирма, потребление энергии на душу населения 52
Битуминозные пески (тяжелая нефть) 71—75 ресурсы 78
Бериллий 146, 191
Бёмит 136
Блофелдит, месторождение
(Норвегия) 141
Бокситы 130—135
Боливия, минеральные ресурсы 29, 191
Ботсвана, минеральные ресурсы 29, 215
Бразилия, минеральные ресур
сы 29, 133, 135, 139, 158, 228
Брокен-Хилл, месторождение (Австралия) 175
Бром 44, 45
«Бронзовый век» НО
Бушвелдский комплекс (ЮАР) 119, 182, 189, 190
Вавеллит 136
Вадозные воды 237
Ванадий 113, 114, 187
Ватт, определение 51
Великая Дайка (Зимбабве) 190
Великобритания (Англия), ми
неральные ресурсы 122
потребление энергии на душу населения 52
энергия приливов 85
Висмут 161
Витватерсранд (ЮАР), золоторудные месторождения 185— 186
урановые месторождения 97
Вода 230—242
Водное зеркало 236
Водоносные горизонты 238
с избыточным давлением
75
Возобновляемые ресурсы 13—15
Вольфрам 113, 114, 146, 187, 190—191
потребление на душу населения 28
Вольфрамит 191
«Время удвоения», определение 22
Вулканогенные месторождения массивных сульфидных руд 169, 172
Вулканы. См. также Стратовулканы
подводные 119—120, 124, 169
Габон, минеральные ресурсы 29, 139
Гайяна, минеральные ресурсы 133
Галенит 149, 151, 172—174
Галит (NaCl) 202, 203, 211, 212
Галлий 149
Ганфлинт, Fe-рудная формация
(США) 125
Гарниерит-176
Гвинея, минеральные ресурсы
135 .
Гелий 100
Гематит 111
Геотермальная энергия 85—90
Геохимические циклы 47—48
Геохимическое равновесие 48
Гиббсит 111, 136
Габера — Боша процесс 197
Г идроксиды 111
Гидросфера 36—37,43—49,
230—232
Г идротермальныеместорож -
дения 157—160
— растворы 119, 160, 164
Гипс 202, 224, 225 *
Глины (глинистые минералы) 135, 136, 225—226
Голубые асбесты. См. Крокидолит
Гора Магнитная (СССР) 119
Горные породы, дробленые 25 определение 37 типы 37
«Горькие» соли 199
Горючие ископаемые 55—80 образование 55—56 определение 55 сравнение ресурсов 78
Горючие сланцы 62, 71—75 ресурсы 78
Горячие сухие породы, эксперимент 89
Гранит 37
Греция, минеральные ресурсы
177, 190
Грунтовые воды 235—236
Гуано 206
Даусонит 136
Двуокись углерода, возрастание содержания в атмосфере 79
Джоуль 32, 51
Диаспор 136
Дожди 231—234
Доломит 142
Домны 114, 115
Дробленые породы 219 потребление на душу населения 25
Дулут, расслоенная интрузия 182
Европа, дополнительная энергия на душу населения 18 драгирование песка и гравия 220
минеральные ресурсы 139, 142 190
Индонезия, геотермальные бассейны 88
импорт некоторых редких металлов 156
соль 212
уголь 60
энергия воды 102
Единицы измерения, 30, 32
минеральные ресурсы 29, 133
Ирак, минеральные ресурсы 210
Иран, минеральные ресурсы 165, 190
Иридий 181
Ирландия, синтетические алмазы 215
Исландия, геотермальные бас
Железо 112—128
губчатое 114
запасы 152
потребление на душу насе
ления 28
цены 113
чугун 114
«Железный век» 110
Жизненный уровень и его рост
сейны 88, 89
Испания, минеральные ресурсы 181
Испарение 234—235
Италия, геотермальные бассейны 88, 89 цемент 223
21—22
Кадмий 151
Калберстон-Филд, месторожде
Заир, минеральные ресурсы 29, 168—169, 215
Замбия, минеральные ресурсы 29, 168
Запасы 32—34
Запечатанная нефть 78
Земля 35—43
кора 36—43
мантия 35
масса 35
ядро 35
Зерно, рост производства 19
Зимбабве, асбест 228
Золото 146, 184—187
в Мировом океане 45
импорт в США 29
темпы добычи 24—25
ние (США) 210
Калий 19, 46, 86, 195—204 потребление на душу населения 28
Калимантан, минеральные ресурсы 177
Калория, определение 50
Камерун, минеральные ресурсы 133
Канада, асбест 228 битуминозные пески 71—75 дополнительная энергия на душу населения 18 железо 117, 118 золото 184—187 импорт в США 29 калийные соли 203—204 медь 170 никель 176—177 платиноиды 181—184
Изверженные породы 38
как источник урана 95
расслоенные интрузии 190
Известняк 217, 218
Ильменит 141, 189
Импорт минеральных продуктов в США 29
Индия, дополнительная энергия на душу населения 18
реакторы-размножители 95
редкие земли 158
свинец 173
титан 141
уголь 60
уран 97
цинк 175
энергия приливов 85
Каолинит см. Глины
Карбид вольфрама 187
Карбонатиты 158, 206
Карибский бассейн, минеральные ресурсы 133
Карлин, месторождение (шт. Невада ) 186
Карналлит 199
Касситерит 191
Квасцовые сланцы 96
Квинсленд (Австралия), горючие сланцы 77
Кианит 137
Кимберли, месторождение (Канада) 174
Кимберлиты 214—215
Киноварь 181
Кирпичи 225—226
Кислая губа (СССР), использование энергии приливов 84
Кислород, в атмосфере 47
Кислый газ 210
Китай, асбест 228 горючие сланцы 75—77 «дворовые» печи 114 минеральные ресурсы 29, 139, 191 уголь 59 цемент 223
Клаймакс, месторождение (шт.
Колорадо) 179
Клинтон, тип Fe-рудных месторождений 122—123
Кобальт, в океане 45 использование 113 потребление на душу населения 28
Контактово-метаморфические месторождения 119
Континентальная кора 36, 38, 39 состав 42, 45
■Континентальный склон 38, 39 — шельф 38, 39
Корнуолл, месторождение (шт.
Пенсильвания) 119
Кортес, месторождение (шт. Невада)
Кривой Рог, месторождения (СССР) 126
Криптон, в атмосфере 47
Крокидолит 227
Круговорот воды 230—234
Ксенон, в атмосфере 47
Куба, минеральные ресурсы 177, 178
Куроко, месторождения сульфидных руд 172
Латериты 121, 130—131
Лейк-Сьюпириор, тип Fe-руд- ных месторождений 123—126
Лесото, алмазы 215
Литий 146
Литосфера 36, 38, 41, 42, 48
Магма 38—40
Магматическая сегрегация 118, 182, 188, 189
Магнезит 111, 142
Магнетит 111, 189
Магний 142, 149
в океане 44
Малайзия, минеральные ресурсы 29, 191
Мантия 35—37, 48
Марганец 113, 138—141
в океане 47
импорт в США 29
на дне океанов 139—141, 171
Марокко, минеральные ресурсы 209
Маунт-Айза, месторождение (Квинсленд) 175
Медистые сланцы (Kupferschie- fer) 166—167, 173—174
Медно-порфировые месторождения 161 —165
Медный пояс Замбии 168—169
Медь 145, 161 — 171
в океане 45
импорт в США 29
потребление на душу населения 28
производство в США 23, 170 энергия, необходимая для извлечения меди 150
Мезосфера 36
Мексика, минеральные ресурсы 29, 210
Меренского риф (ЮАР) 182
Месторо ж дениям иссисипского
типа 172
— оксидов 187—192
Металлогенические провинции 164
Метаморфические породы 39
Минас-Жерайс, месторождение
(Бразилия) 125, 126
Минерал, определение 37 Минералогический барьер 151 Минеральные месторождения, классификация 157—160
— ресурсы, виды 28—30 неметаллические полезные ископаемые 194
неравномерность размещения 15
определение 28, 33
темпы потребления 24—30 Молибден 113, 146, 177—179 Морская вода см. Океаны Мощность, определение 51 Мышьяк 161
Намибия, минеральные ресурсы 96, 97, 215
Население, предел стабильной численности 21 рост 20—25
Неон, в атмосфере 47
Нефелин 135—137
Нефть 61—71 битуминозные пески 71—75 горючие сланцы 62 миграция 64 определение 61—62 потребление на душу населения в США 18 районы локализации 63 распределение 69, 70 ресурсы 70, 71, 78 скорость мирового производства 67 типы нефтяных ловушек 64— 66
Нигер, минеральные ресурсы 97
Никель 133^ 149, 176—177
в океане 45
импорт в США 29 потребление на душу населения 28
Никопольское месторождение (СССР) 138
Ниобий 146, 187, 191
Нитраты 196, 197
Новая Гвинея, минеральные ресурсы 165
Зеландия,геотермальные
бассейны 88, 89
Каледония, минеральные ресурсы 177, 178
Обессоливание 241
Обогащение ПО, 111
Океаническая кора 36
Океания, водные ресурсы 102
Океаны, глубина 43
добыча полезных ископаемых 44—47
объем 43, 45
состав воды 43—45, 198
Оленёкское месторождение
(СССР) 74
Олово 190—191
в океане 45
импорт в США 29
потребление на душу населения 28
Осадочные породы 38—39
Осмий 181
Пайсинс, бассейн (шт. Колорадо) 77
Палабора, месторождение
(ЮАР) 206
Палладий 181
Парадокс, бассейн (США) 203, 204
Парижский алебастр 224
Пегматиты 157, 158, 191
Пентландит 176
Перидотиты 188
Пермский бассейн (СССР) 202
Перу, минеральные ресурсы 29, 191
Песок и гравий 219—221 потребление на душу населения в США 25
Пизолитовая структура 131, 132
Пирит как источник серы 211
Пирротин как источник серы 211
Пиролюзит 138
Платина 181
импорт в США 29
Плутоний 94, 95
Поваренная соль (NaCl) 198— 204, 210—213 - в океане 44, 45
Подводный вулканизм 119—120, 169
Подземные воды 236
Полигалит 199
Польша, минеральные ресурсы 135, 210
Портландцемент 222
Потенциальные ресурсы 33
Потребление на душу населения, определение 25
Почвенные воды 237
Природные ресурсы, категории 14
Природный газ 66 ресурсы 78
Производство продуктов питания, энергетические факторы 19—21
Псиломедан 138
Пуццолановый цемент 222
Расслоенные интрузии 190
Распространенные металлы 110—113 в будущем 143, 193
Реакция размножения 95
Редкие металлы, в будущем 192—193 классификация 160—161 концентрации, необходимые для рентабельной добычи 147 определение НО, 144 распространенность 146, 148— 152
Родий 181
Россыпные месторождения 182, 183
Ртуть 181
Руда, определение 33
Рудные месторождения, определение 37, 148, 152 открытие 153—155
Румыния, нефть 67
Рутений 181
Рутил 141
Самородные металлы 161
Санфорд-Лейк, месторождение 141
Саудовская Аравия, минеральные ресурсы 29 нефть 67
Свинец 146, 171 —176
производство 175
Северная Америка, водные ресурсы 102 минеральные ресурсы 116 нефть 69, 70
песок и гравий 219—221
уголь 59
Сера 209—211
Серро-Боливар, месторождение (Венесуэла) 125
Серебро 146, 179—181
в океане 45
замещение 151
импорт в США 29
Сидерит 111
Сиениты 205
Силлиманит 137
Сильвин 199
Скарновые месторождения 191
Скорости возобновления подземных вод 237—238
Солнечная энергия 52, 82—84, 100—107
Солнечные батареи 101
Соляные купола 212, 213
Спор-Маунтинс, месторождение (шт. Юта) 192
Срединно-океанические хребты 87
Средний Восток, минеральные ресурсы 212 нефть 69, 70
СССР, алмазы 214, 215
асбест 228
геотермальные бассейны 88
горючие сланцы 77
дополнительная энергия на душу населения 18
минеральные ресурсы 29, 135, 139, 142, 156, 165, 173, 189 нефть 69, 70
реакторы-размножители 95 синтетические алмазы 215 соль 212
уголь 59
цемент 223
эвапориты 202
энергия приливов 84—85
Стекло 226—227
Стратиформные месторождения 166—167
Стратовулканы 163, 164
Строительные материалы, классификация 217 переработка 217
Строительный камень 218—219
Сульфидные минералы 161
Суринам, минеральные ресурсы 133, 135
Сурьма 161
Сфалерит 172, 173
США, алмазы 214
геотермальная энергия 88
дополнительная энергия на душу населения 18
импорт минерального сырья 29, 156
медь 164—165, 170
нефть 67, 74
потребление энергии на душу
населения 18, 52
синтетические алмазы 215
уран 96—97
фосфаты 206—208
хром 190
цемент 223
энергия приливов 85
Сьерра-Леоне, минеральные ресурсы 142
Таиланд, минеральные ресурсы 29
Тайвань, минеральные ресурсы 133
Такониты 128
Танзания, алмазы 215
потребление энергий на душу населения 52
Тантал 146, 187, 191
«импорт в США 29
Тар-Сэнд, месторождение (Канада) 72—73, 75—78
Темпы потребления минеральных ресурсов 22—28
Тетраэдрит 151
Титан 141 —142
Торий 83, 86, 91, 94, 146
Торф 57
Транспирация 234—235
Траппы 219
ТУ29^И?89 Минеральные ресурсы
Уайт-Пайн, месторождение
(шт. Мичиган)
Углеводороды 62
Уголь 37, 56—61
возраст 56—57
образование 57—58
потенциальные ресурсы 59, 78
размещение 59—60
сортность (марка) 58
Уран 92—93, 146
в океане 45
распад ядер U 91—96
ресурсы 97
Уранил-ион 95
Уранинит (смоляная обманка)
Фактор испарения и транспирации 234
Филиппины, геотермальные бассейны 88
минеральные ресурсы 29, 165, 190
Фосфаты (фосфатные породы) 96, 197, 205—209
Фосфор 204—209
Фосфория, формация 206, 207
Франция, минеральные ресурсы 122
реакторы-размножители 95
цемент 223
энергия приливов 84
ФРГ, минеральные ресурсы 122
Халькозин 151Халькопирит 150Хамерсли, месторождение (Австралия) 125, 126Химические элементы, в атмосфере 47в континентальной коре 42, 45в океане 45Халькозин 151Халькопирит 150Хамерсли, месторождение (Австралия) 125, 126Химические элементы, в атмосфере 47в континентальной коре 42, 45в океане 45цемент 223
Халькозин 151
Халькопирит 150
Хамерсли, месторождение (Австралия) 125, 126
Химические элементы, в атмосфере 47
в континентальной коре 42, 45
в океане 45
Халькозин 151
Халькопирит 150
Хамерсли, месторождение (Австралия) 125, 126
Химические элементы, в атмосфере 47
в континентальной коре 42, 45
в океане 45
Хлор (в океане) 45
Хоумстейк-Майн, месторождение 186
Хризотил 227
Хром 187—190
в океане 45
импорт в США 28, 29
использование 113
Хромит 188—190
потребление на душу населения 26
Цейлон см. Шри-Ланка
Цемент 221—224
Цинк 146, 171 — 176
в океане 45
потребление на душу населения 26
производство 175
Чаттануга, сланцы 96
Чиатурское месторождение
(СССР) 138
Чили, минеральные ресурсы 29
Швеция, синтетические алмазы
215
Шеелит 191
Шри-Ланка, минеральные ресурсы 142
Штокверковые месторождения
Мо 179
Эвапориты, морские 198—204 неморские 213
Экспоненциальный рост 22—24 «Энергетические рабы» 18 Энергия, в будущем 108—109 дополнительная 17—18, 52, 54 единицы измерения 50—51
источники 81
определение 50
потребление 78
— на душу населения, 52, 53
темпы потребления 52, 53, 81
Энергия ветра 103—107
— воды, мировые запасы 101—
103
— волн 106
— деления ядер 90—100 .
— океана ЮЗ—107
— приливов 82, 84—85
— связи 91
Эстония, горючие сланцы 76
ЮАР, асбест 228 минеральные ресурсы 29, 119, 124, 126, 139, 142, 158 синтетические алмазы 215 уран 97
Югославия, минеральные ресурсы 135, 165, 190
Южная Америка, бокситы 133 дополнительная энергия на душу населения 18 нефть 67, 70 соль 212 энергия воды 102
Ява, минеральные ресурсы 191
Ядерное топливо 94—95
Ямайка, минеральные ресурсы 133, 135
Япония, геотермальная энергия 88
добыча конкреций со дна океана 139—141
минеральные ресурсы 156, 209
синтетические алмазы 215 цемент 223
ШКАЛА ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ВРЕМЕНИ И ФОРМИРОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВИДОвДдавлениеМИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ^оидир.
пока
<К1йнозой
Мезозой
Палеозой*
500
1000
Мел
Юра
месторождение ^
Витватерсранд Вы
хеи
4500
Кембрий
>ХФкЖ«1
Млн лет
Самые древние -вулканогенные ESL месторождения сульфидных руд
Древнейшие Egg породы
Медный пояс Замбии g^
Эоцен Палеоцен
Плейстоцен Плиоибк
Миоцен
Олигоцен
Период
Млн.летназад
-1,6-
-5,3-
23,7-
36,6-
ЖТ^Г^НбВ5я
^ ^ ^5у Каледон и»
57,8-- 66,4--
6SS3 Клаймакс -БИ-Бингем, (
—_Г орючие Cj ^Грин-Риве
ЬзхаЧиатура_ и Никопо СССР (Мп»
Главные бокситовые месторождение
•144
човие редактора перевода .
Салливан, Канада ва (Pb-Zn) Брокен-Хилл, Австралия,-— (Pb-Zn) Садбери, Канада ге^ (Ni)
5
13
ЗОЙ
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Образование земной коры < ~ 4,6 млрд, лет назад)
Железорудные месторождения типа Пейк-Сьюпириор
Великая дайка, | Зимбабве
Пермь
X S о. го
Пенсильванский
Миссисипский
Девон
Силур
Ордовик
Триас
•208
245-
286
320
360
408
•438-
505
570
Главные медно-порфирор месторождения г
. Ресурсы: что это такое и где они находятся .
tS^ Карлсбад 4 ^Стассфурт(^ ИЗ Медистые слаи Г"
Ресурсы и население/. . .
Что такое темпы роста? Виды минеральных и энергетических ресурсов . . . Несколько слов о единицах измерения сурсы и запасы .. . .
Где находятся минеральные ресурсы
Земля
Геохимические циклы
3. Энергия, извлекаемая из горючих ископаемых .
БИ Древнейшие угг
ISSSI Элк -Пойнт — бассе^
BsSI Уиллистон (калий)
BS8 Появление наземне^ Врастительности
Горючие ископаемые
Сравнение ресурсов горючих ископаемых . . . .
4. Энергия будущего
Энергия приливов
Энергия земной тверди
Солнечная энергия
Будущее
ш
5. Распространенные металлы
Потребление распространенных металлов . Железо
Алюминий .. . .
Марганец
Титан
Магний
Распространенные металлы в будущем
17
17
22
28
30
32
35
35
47
50
55
78
81
84
85
100
108
ПО
111
113
129
138
141
142
143
ва 6. Редкие металлы 144
262 Оглавление
Распространенность редких металлов .148
Классификация месторождений;157
Классификация редких металлов 160
Редкие металлы, образующие сульфидные месторождения '161
Редкие самородные металлы . . . 181
Редкие металлы в будущем;192
Глава 7. Агрохимическое и химическое сырье 194
Полезные ископаемые для производства удобрений .194
Химическое сырье 211
Другие виды минерального сырья 213
Глава 8. Строительные материалы 216
Природные каменные материалыу217
Продукты переработки горных породi221
Неметаллические полезные ископаемые в будущем . .229
Глава 9. Вода 230
Распределение атмосферных осадков 231
Испарение и транспирация 234
Грунтовые воды 235
Нормы потребления и запасы воды 239
Эпилог 243
Литература 246
Приложение 243
Предметный указатель252
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
Ваши замечания о содержании книги, ее оформлении, качестве перевода и другие просим присылать по адресу: 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-Риж- ский пер., д. 2, издательство «Мир».
1 Уран-238 представляет собой атом, который содержит 146
К моменту выхода в свет этой книги глубина еще одной сква
жины (в СССР) превысит 10 км, а две другие скважины будут
близки к этому рубежу.— Прим, перев.
EARTH RESOURCESThird EditionBrian J. SkinnerYale UniversityPrentice-Hall, Inc.,Englewood Cliffs,New Jersey 07632EARTH RESOURCESThird EditionBrian J. SkinnerYale UniversityPrentice-Hall, Inc.,Englewood Cliffs,New Jersey 07632
EARTH RESOURCES
Third Edition
Brian J. Skinner
Yale University
Prentice-Hall, Inc.,Englewood Cliffs,New Jersey 07632
EARTH RESOURCES
Third Edition
Brian J. Skinner
Yale University
Prentice-Hall, Inc.,Englewood Cliffs,New Jersey 07632
Б.СкиннерХВАТИТ ЛИЧЕЛОВЕЧЕСТВУЗЕМНЫХРЕСУРСОВ?
Перевод с английскогоканд. геол.-мин. наук Н. Н. Шатагинапод редакцией
д-ра эконом, наук А. С. Астахова
Москва «Мир» 1989
Научно-популярное издание
Брайан Дж. Скиннер
ХВАТИТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ ЗЕМНЫХ РЕСУРСОВ?
Заведующий редакцией В. В. Герасимовский
Научный редактор Н. А. Никишина
Младший научный редактор А. В. Швыряева
Художник В. А. Потапов
Художественные редакторы А. Я. Мусин, А. В. Стрихова Технический редактор Е. В. Алехина Корректор В. И. Николаева
ИБ № 6779
Сдано в набор 29.03.88. Подписано к печати 05.01.89. Формат 84Х108*/з2. Бумага книжно-журнальная. Печать высокая. Гарнитура литературная. Объем 4,13 бум. л. Усл. печ. л. 13,86. Усл. кр.-отт. 14,20. Уч.-изд. л. 13,90. Изд. № 5/5946. Тираж 50 000 экз. Зак. 1051. Цена 70 коп.
Издательство «Мир» В/О «Совэкспорткнига» Государственного комитета СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Рижский пер. 2.
Ленинградская типография № 2 головное предприятие ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 198052, г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.
ББК 26.3С42УДК 551ББК 26.3С42УДК 551
ББК 26.3
С42
УДК 551
ББК 26.3
С42
УДК 551
Предисловие редактора перевода
90—8990—89ББК 26.3ББК 26.3
90—89
90—89
ББК 26.3
ББК 26.3
Скиннер Б.
€42 Хватит ли человечеству земных ресурсов?: Пер. с англ.— М.: Мир, 1989.—264 с., ил.
ISBN 5-03-000921-3
В книге известного американского геолога в научно- популярной форме анализируются данные об использовании различных видов земных ресурсов в хозяйственной деятельности человечества, черных и цветных металлов, неметаллических полезных ископаемых и строительных материалов. Ставится вопрос об истощении запасов полезных ископаемых в ближайшем будущем. Обстоятельное рассмотрение этой проблемы показывает, что человечеству в обозримом будущем не грозит голод на минеральные ресурсы вследствие вовлечения в переработку более бедных руд, перехода на альтернативные минеральные источники того же полезного компонента и искусственного получения требуемого сырья.
Для широкого круга геологов и лиц, интересующихся науками о Земле.
1804050000—080041(01)—89
Редакция литературы по геологии и геофизике
ISBN 5-03-000921-3 (русск.) © 1986, 1976, 1969 by Prentice-Hall
ISBN 0-13-223090-9 (англ.) A Division of Simon & Schuster, Inc. Englewood Cliffs, New Jersey 07632
© перевод на русский язык, «Мир», 1989
Предлагаемая читателю книга Брайана Дж. Скиннера из Йельского университета (США) посвящена, несомненно, актуальной проблеме.
/ Минеральные ресурсы — первоисточник, исходная основа человеческой цивилизации на всех фазах ее развития. Человек может черпать необходимые для своего существования ресурсы только из природной средыДКонечно, развитие технологии серьезно изменяет направления, формы и масштабы использования природных ресурсов и создает растущий фонд производных от них ресурсов, созданных уже трудом человека. Но первоисточником современного материального и энергетического потенциала человеческого общества все равно остаются природные в основном минеральные — ресурсы Земли. (
Канули в прошлое идеалистические представления о том, что природные ресурсы являются «бесплатным даром» матери-природы ее любимому детищу — человечеству. Такие взгляды, как и любые детские иллюзии о сказочно-безмятежном мире, не отражая действительных, более суровых его реалий, не просто милы своей наивностью, но и становятся опасными, когда вчерашнее дитя начинает активно «переделывать» окружающий его мир, так и не преодолев прежних инфантильных представлений о нем. Детские игры с природой современного, покрытого железной броней человека становятся опасными для обоих участников этой игры-битвы.
Любой минеральный ресурс, пока он в недрах, представляет для человека лишь потенциальную потребительскую стоимость. Его природное качество, как правило, еще не отвечает требованиям потребителей, и «доводка» качественных свойств до необходимых потребительских кондиций осуществляется в итоге Длинной цепочки специальных дорогостоящих процес-
сов. «Подарок» требует доработки. Природа подбрасывает нам «дары-полуфабрикаты», и, прежде чем радоваться их бесплатному появлению, нужно подсчитать, во что обойдется их дальнейшая доработка. К тому же дары представлены далеко не в полном составе, на выбор и в виде, доступном для сопоставлений. Созданные природой минеральные ресурсы скрыты в глубине недр, их количество, свойства и месторасположение неизвестны заранее. Так что дар не преподносится человеку «из рук в руки», а напоминает, скорее, поиски приза, спрятанного в темной комнате. К тому же за эти поиски надо платить, а полной уверенности в том, что предмет поисков вообще существует, нет.
Взаимодействие человека с природой в процессе промышленного освоения минеральных ресурсов непохоже на его обращение с обычными, рукотворными, техническими объектами. Решая, как эффективнее использовать какую-либо машину, человек опирается на четкое представление всех ее узлов и деталей, поскольку все они были созданы его трудом и мыслью. Подобных представлений о конкретных залежах необходимых человеку минеральных ресурсов у него нет. Поиски залежей начинаются, по существу, с нулевой информации о конкретном объекте поиска. Информация нарастает по мере поисковых и геолого-разведочных работ и становится полной лишь после извлечения полезного ископаемого на поверхность. Поэтому одна из важнейших характеристик конкретных залежей минеральных ресурсов — степень их надежности. Она является одним из основных параметров, принятых в основу классификационного разделения минеральных ресурсов на «запасы» («резервы») и собственно «ресурсы». По мере разведочных работ все большая часть потенциальных ресурсов переходит в категорию запасов, хотя этот переход никогда не бывает полным: риск неподтверждения прогнозных ресурсов, как правило, бывает довольно большим.
Второй важнейшей характеристикой конкретных залежей минеральных ресурсов является их потенциальная экономическая эффективность. Условия залегания полезных ископаемых весьма разнообразны, отсюда
резко разнятся и затраты на их промышленное вовлечение. Природное качество сырья также очень неодинаково, поэтому различна и денежная ценность получаемых полезных компонентов. Практический интерес для человека в первую очередь представляют экономически эффективные (а не все созданные природой) минеральные ресурсы.
В принципе понятие эффективности конкретных минеральных ресурсов определяется достаточно точно—сопоставлением затрат и ценности получаемых из них конечных продуктов. Однако в действительности проведение всех необходимых при этом расчетов сталкивается с множеством трудностей.
Начнем с того, что оценочные расчеты приходится делать с большим опережением, начиная с ранних стадий разведки,— нередко за десятки лет до того, как месторождение попадет в промышленную эксплуатацию. Таким расчетам неизбежно присуща большая неопределенность прогнозных данных. Неопределенными являются и сами исходные их предпосылки: объемы перспективной потребности в данном минеральном сырье; технологические возможности и методы его добычи, переработки и использования. Неясны заранее и шансы открытия новых месторождений и качественные показатели присущих им минеральных ресурсов. А ведь суждения об эффективности любого конкретного месторождения должны по идее даваться не иначе, как на фоне всех этих труднопрогнозируемых обстоятельств.
Громадную роль среди них играют перспективы научно-технического прогресса, который — в масштабах крупных исторических периодов — оказывает решающее влияние на оценку минеральных ресурсов. Конкретные формы этих влияний очень разнообразны, но любое из них может оказаться решающим для вынесения суждений о полезности того или иного источника минерального ресурса. Научно-технический прогресс определяет прежде всего саму потребность в том или ином виде ресурсов. Так, никому раньше не нужный уран стал основой современной атомной промышленности. С другой стороны, успешные разработки по созданию заменителей могут полностью вы-
черкнуть тот или иной минерал престижного перечня. Громадное воздействие оказывает научно-технический прогресс и на уровни затрат по разведке, добыче, переработке и использованию минерального сырья. Условия залегания и качество этого сырья на разных месторождениях сильно различаются, что определяет и отличия применяемых в конкретных ситуациях технологических схем и’техники. Развитие же самих этих схем обычно происходит неравномерно по отдельным процессам и видам; поэтому со временем в отдельных направлениях происходят технологические сдвиги, резко повышающие эффективность эксплуатации соответствующих месторождений. История горного дела знала множество таких примеров, когда сравнительная эффективность эксплуатации различных типов месторождений резко изменялась, вплоть до полного изменения выводов. Весьма яркими являются в этой же области и хорошо известные примеры успешных технологических инноваций в области обогащения бедных руд, которые в значительной мере меняли воззрения о возможности коммерческой их разработки. Важным является общий факт: оценки эффективности конкретных источников минеральных ресурсов существенно изменяются со временем, они являются до некоторой степени историческими, лабильными категориями. При рассмотрении вопросов, затрагивающих перспективы использования (и особенно потерь) любых сегодня неэффективных ресурсов, важно не терять именно эту, перспективную основу оценок.
С проблемой оценки природных ресурсов Земли непосредственно связана еще одна, подвергнутая широкому обсуждению в мировой литературе сторона проблемы,— вопрос об исчерпаемости имеющихся источников природных (в данном случае минеральных) ресурсов. Начало возникшим несколько лет назад дискуссиям положила попытка заглянуть в будущее и оценить не столько сегодняшнюю обеспеченность мира минеральным сырьем, сколько перспективы ее изменения в будущем. Посылками, положившими начало спорам, были три очевидных положения: ресурсы минерального сырья ограниченны, практически невоспроизводимы и при сохранении экспоненциально
растущего их потребления будут в обозримом будущем исчерпаны, что поставит человечество в крайне сложное положение. Результаты состоявшейся острой полемики на сегодняшний день выглядят следующими. Постановку проблемы для широкого обсуждения следует признать исключительно важной и правильной: дальнейшее уклонение от прогнозирования перспектив ресурсообеспечения могло бы иметь тяжелые последствия; Вместе с тем сами эти перспективы и суть связанных с ними неприятностей существенно иные, чем это казалось в начале дискуссий. Человечеству не грозит близкое исчерпание физически наличных в недрах минеральных ресурсов: в целом они практически неисчерпаемы. Весьма ограниченной зато является технически доступная и экономически эффективная (по условиям залегания и качеству) часть полных ресурсов многих важных видов полезных ископаемых. Быстрое ее исчерпание и обращение к менее эффективным залежам будут означать серьезное испытание для экономики многих стран мира. Расточительное использование лучшей части ресурсов ныне живущим поколением действительно может поставить в трудное положение грядущие генерации человечества. Такое отношение к ресурсам, по-видимому, было бы неправильным — но лишь в случае, если бы оно являлось реальной угрозой для потомков. Контрвозражением, опротестовывающим такую угрозу, является общая, исторически всегда оправдывавшаяся убежденность в том, что по мере обострения ресурсных проблем человечество всегда находит выход в развитии новых технологий, что позволит ему и впредь жить, используя худшие сегодняшние ресурсы (или их заменители) с растущей эффективностью/
Вероятно, трудно считать единственно верной любую из изложенных взаимопротивоположных точек зрения, но исторический опыт человечества, скорее, подтверждает вторую из них — более оптимистическую и диалектичную. Во всяком случае если не верить в технический прогресс как в средство «развязывания ресурсных узелков» будущего, то нынешнему поколению пришлось бы взять на свои плечи плату за этот пессимизм: реально это означало бы, что мы пошли бы
на более планомерную разработку худших руд ради того, чтобы это не пришлось сделать потомкам,— нс веря, что они смогут «изобрести нечто такое», что позволит им в будущем добывать бедные руды дешевле, чем это возможно сегодня.
Подведем некоторые итоги проведенного краткого обзора важнейших проблем обеспеченности минеральными ресурсами. Проблема имеет долгосрочный характер и не может быть вмещена в рамки сегодняшнего и ближайшего времени. Она отнюдь не исчерпывается чисто геологическими вопросами наличия и размещения полезных ископаемых, хотя они, естественно, являются исходными. Практически бессмысленным и потому некорректным является сведение проблемы к вопросам типа: «Велики или малы минеральные ресурсы?» или «Какова обеспеченность ими человечества?». Физическое наличие любого элемента в недрах Земли практически безгранично, но действительный интерес представляет лишь та его доля, которая может быть технически и экономически эффективно использована. Эта часть ресурсов —/существенно меньшая, и проблема именно ее оценки представляет живейший интерес. Трудности, связанные с ее определением, обусловлены тем, что извлекаемые и эффективные запасы суть понятие, изменяющееся со временем. Основным же фактором ее изменений является далеко не полно прогнозируемый научно-технический прогресс. Поэтому хорошие или плохие условия жизни наших потомков на этой маленькой Земле с се ограниченными ресурсами будут определяться не столько ограниченностью ее недр, сколько творческим гением самого человечества.
Следовательно, было бы неправильным при обсуждении природоресурсной проблематики слишком замыкаться на тезисе об «ограниченности и невоспроиз- водимости» минеральных ресурсов Земли. Гораздо практичнее будет уделить целенаправленное внимание ресурсно-воспроизводственной деятельности самого человека, участие которого в вопросах минерало- ресурсного самообеспечения отнюдь не пассивное. Природа уже «сказала все слова своей роли» в диалоге с человеком, создав (не полностью нам известные и
не полностью для нас пригодные) минеральные ресурсы. Роль же человека в этом диалоге впереди; она сводится к продуманной системе мер в двух взаимоконкури- рующих направлениях: разведке новых ресурсов и технологической разработке более полного и эффективного вовлечения источников, ранее считавшихся нерентабельными. В этом смысле ресурсы минерального сырья, пригодные для использования человеком, вполне «воспроизводимы», а управление многочисленными (альтернативными либо дополняющими друг друга) работами по такому воспроизводству как раз и составляет суть ресурсосберегающей деятельности человека.
Мы надеемся, что вышеизложенное привело читателя к выводу о том, насколько многоплановой и сложной является проблематика минеральных ресурсов, если ее рассматривать, как она того объективно требует, не чураясь и общефилософских ее аспектов. Ключом к такому исследованию проблемы является системный подход.
Судя по предлагаемой вниманию читателей книге, взгляды се автора в основном близки вышеизложенному. Вместе с тем на страницах самой книги отсутствует достаточно комплексное и полное освещение всей совокупности этих вопросов. Вообще не освещена в ней методология расчетов эффективности минеральных ресурсов. Собственно, именно этими обстоятельствами и мотивировалась необходимость предпослать переводу книги данное предисловие.
В чем же сильные стороны данной книги, чем она может привлечь внимание советского читателя? На наш взгляд, довольно многим. Даже при несколько ограниченной общей постановке задачи круг затрагиваемых автором вопросов (особенно геологического и геохимического профиля) очень широк. Две первые главы посвящены рассмотрению основ классификации земных ресурсов. В семи последующих рассматриваются ресурсы каждой группы в отдельности, Такая структура изложения позволяет достичь максимальной обстоятельности и конкретности материалов. Все главы построены по единой схеме и методике — чего нельзя найти, перелистав целую библиотеку книг