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.
В периодической системе элементов Менделеева уран стоит под № 92, однако четырех элементов с предшествующими атомными номерами на Земле не обнаружено. Возможно, они когда-то здесь присутствовали, но из-за радиоактивного распада исчезли.
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 располагается 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.
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.
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 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 коры. 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 CaCO3. Гранит слагают три минерала: калиевых полевой шпат KAlSi3O8, мусковит KAl3Si3O10(OH)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. 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. 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 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 растворяются и переносятся в виде мелких частиц. При этом возможно значительное химическое разделение, что в свою очередь 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 противоположность континентальной имеет менее изменчивый состав. Это позволяет предполагать, что породы морского дна не содержат 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, при этом каждая плита движется 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 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.
Содержание главных химических элементов в континентальной коре (%)
Средний состав континентальной коры показывает, что только 9 элементов составляют 99 % 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∙106 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. 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.
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 добываться 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 триброманилина, 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 концентрации этих элементов ничтожны.
Содержание некоторых химических элементов в 1 км3 средней континентальной коры и в средней морской воде (в тоннах)
Интересно сравнить средние составы горных пород континентальной коры и морской воды. Такие ценные элементы, как золото и медь, более широко распространены в континентальной коре. 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 пользу 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, сказались 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, йода и фтора), а также для серы, бора и фосфора, потенциальные 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 цикличном 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 внутреннего 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.
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.