Лекция 7. Рациональное использование и охрана ресурсов недр

План

1. Общая характеристика и классификация полезных ископаемых. Виды топлива.

2. Оценка полезных ископаемых Республики Беларусь.

3. Основные пути рационального использования и охраны недр.

1. Общая характеристика и классификация полезных ископаемых

Мы, Homo sapiens, научились использовать громадное количество природных ресурсов, от которых теперь зависим.. Но похоже, мы сами себя загнали в угол... Без непрерывного снабжения природными ресурсами цивилизованное общество непременно рухнет, а человеческая популяция зачахнет.

Под общим понятием ресурсов понимаются любые источники получения человеком материальных благ.

Cолнечная энергия, энергия морских приливов, текущая вода, атмосфера, гидросфера таят в себе неисчерпаемые возможности так называемые неисчерпаемые.

Исчерпаемые природные ресурсы делятся на исчерпаемые восстанавливаемые (возобновимые) и исчерпаемые невосстанавливаемые (невозобновимые). К первой группе прежде всего относятся биологические ресурсы - растительность и животный мир. Это лесные ресурсы, земельные , водные, атмосферный воздух. Сюда же можно отнести и некоторые минеральные ресурсы, например выпадающие в осадок соли в соленых водоемах. Ко второй группе относится большинство полезных ископаемых - нефть, уголь, газ и т.д. Изъятие этих ресурсов из природной среды происходит очень интенсивно, запасы их неуклонно уменьшаются. Во-вторых, эти ресурсы восполняются значительно более медленными темпами, чем происходит их потребление (нефть, уголь, сланцы и др.). Слайд 1 и 2

Минерально-сырьевые ресурсы или полезные ископаемые — это природные вещества минерального происхождения, используемые для получения энергии, сырья и материалов.

Для минерально-сырьевых ресурсов характерны:

• резкая неравномерность размещения;

• невозобновляемость конкретных видов ресурсов;

• возможность восполнения путем разведки и освоения но­вых объектов;

• большое разнообразие условий эксплуатации;

• ограниченность крупных месторождений.

Все ископаемые вещества (твердые, жидкие и газообразные) и геотермальная энергия сосредоточены в верхних слоях земной коры. Залежи горных пород, которые обогащены одним или несколь­кими минералами, по­лучили название геологических месторождений. Минеральные скоп­ления с небольшими запасами или бедными рудами (что делает разработку экономически нецелесообразной) принято рассматри­вать как рудопроявления. В случае усовершенствования техники добычи и извлечения полезных компонентов рудопрояв­ления могут перейти в разряд промышленных месторождений.Все ископаемые вещества (твердые, жидкие и газообразные) и геотермальная энергия сосредоточены в верхних слоях земной коры.

Числовая оценка среднего содержания химических элементов в недрах Земли производится с использованием кларка данного вещества (выражается в процентах, в г/т). Это средние значения относительного содержания химических элементов в верхнем слое земной коры. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять порядков. Более 99 % массы земной коры составляют кларки следующих элементов: кислорода — 47 %, кремния — 29,6, алюминия — 8,05, железа — 4,65, кальция — 2,96, натрия — 2,50, калия — 2,5, магния — 1,87 %. Элементы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют в природе многочисленные самостоятельные химические соединения, а элементы с малыми кларками рассеяны, преимущественно, среди химических соединений других элементов. Элементы, кларки которых меньше 0,01%, называют редкими.

Полезные ископаемые, в зависимости от области хозяйствен­ного применения, подразделяются на группы: Слайд 3

• топливно-энергетическую (нефть, природный газ, ископа­емый уголь, горючие сланцы, торф, урановые руды);

• рудную, являющуюся сырьевой основой черной и цветной металлургии (железная и марганцевая руды, хромиты, бокситы, медные, свинцово-цинковые, никелевые, вольфрамовые, молибденовые, оловянные, сурьмяные руды, руды благородных металлов и др.);

• горно-химического сырья (фосфориты, апатиты, поваренная, калийные и магнезиальные соли, сера и ее соединения, барит, борные соли, бром и йодсодержащие растворы);

• природных (минеральных) строительных материалов и нерудных полезных ископаемых, к которым примыкают поделочные, технические и драгоценные камни (мрамор, гранит, яшма, агат, горный хрусталь, гранат, корунд, алмаз и др.);

• гидроминеральные (подземные воды).\

Запасы полезных ископаемых в недрах земли измеряются в кубических метрах (строительные материалы, горючие газы и др.), в тоннах (нефть, уголь, руда), в килограммах (благородные металлы), в каратах (алмазы). По степени достоверности определения запа­сов они разделяются на категории.

Запасы категории А являются наиболее разведанными, с точно определенными границами залегания и вполне подготовленными для добычи. К категории В относятся предварительно разведанные запасы полезных ископаемых с примерно опреде­ленными границами залегания. В категорию С, включают раз­веданные в общих чертах месторождения с запасами, подсчи­танными приблизительно. К категории С₂ относятся перспективные запасы. Как правило, Данные о запасах полезных ископаемых категорий А и В используются при разработке текущих планов и прогнозов развития народного хозяйства. Остальные категории запасов (С, и C₂,) учи­тываются при обосновании долгосрочных прогнозов, планиро­вании геологоразведочных работ.

Запасы полезных ископаемых подразделяют также по их пригодности для использования на балан­совые и забалансовые. : Слайд 4

К балансовым принадлежат такие запасы, которые целесообразно разрабатывать при современном уровне техники и экономики; к забалансовым — запасы, которые при имеющейся технике не могут быть эффективно исполь­зованы. Существует также категория прогнозных — геологичес­ких запасов, оцениваемых приближенно в качестве возможных.

Расчетная денежная оценка () месторождения полезных ископаемых проводится по формуле: Слайд 5

(10.1)

где — извлекаемые запасы в пересчете на конечную продукцию; — срок отработки запасов; Z — замыкающие затраты для данного района на конечную продукцию (в определенных условиях функции замыкающих затрат могут выполнять мировые цены); — расчетные текущие эксплуатационные затраты на единицу конечной продукции; — коэффициент учета фактора времени, вклю­чая расчетный срок эксплуатации оцениваемого месторождения; — предстоящие капитальные вложения, связанные с разведкой, разработкой, (то есть приведенные к году оценки). р -

Практически невозможно добыть 100 % сырья из месторождения. Коэффициент извлечения – определяет долю сырья потенциально возможную к извлечению в настоящее время к его общим запасам. К нефти – 0,4; природного газа – 0,8; угля – 0,25. Столь низкий К угля объясняется условиями залегания пластов – тонкие, глубоко, труднодоступные.

Наиболее оптимистический прогноз предполагает сроки исчерпания ископаемого топлива хватит на 520 лет. Пессимистические оценки важнейших ресурсов дают 50-70 лет до полного их истощения.

Приведем рассуждения американского эколога Линдсея Гранта - бывшего помощника государственного секретаря США по вопросам окружающей среды и населения, а позднее консультанта Экологического фонда США. Грант предлагает рассмотреть три математических примера.

1. Если мы предположим, что вся масса Земли состоит из нефти, то даже в этом случае нефть будет исчерпана за 342 года при условии стабилизации скорости ее потребления, какой она была до 1973 года.

2. Предположим, что человечество располагает чем-либо, чего хватит на миллион лет. Если мы станем увеличивать размеры потребления этого «чего-либо» всего на 2% в год, то запаса этого гипотетичного вещества хватит всего лишь на 501 год.

3. Если провести расчеты, через сколько лет при существующей тенденции прироста населения на один свободный ото льда квадратный метр земли будет приходится по одному человеку, то ответ будет следующим: через 600 лет.

Следовательно, если человечество не снизит темпы использования ресурсов и не изменит политику народонаселения, то реальная экологическая катастрофа окажется не такой уж и далекой.

Таким образом, во второй половине XX века человечество вынуждено было ввести в обиход новое понятие современной экологии - экологический кризис. Под экологическим кризисом в настоящее время понимают критическое состояние окружающей среды, вызванное деятельностью человечества и характеризующееся несоответствием уровнем потребностей общества и ресурсно-экологическими возможностями биосферы. По геологическим оценкам при сложившемся уровне годового по­требления природных материалов по отношению к разведанным/ко­нечным запасы составляют около (лет):

• медь — на 45 лет хватит разведанных/ на 350 – конечных запасов;

• железо - 100/2500;

• алюминий — 20/68 000;

• свинец— 10/150,

• молибден — 60/600;

• цинк-20/600;

• сера - 30/7000;

• уран - 50/8500.

Топливное сырье неравномерно размещено на террито­рии земного шара. Среди топливно-энергетических ресурсов наиболее важ­ное значение имеют нефть, газ, уголь. Ряд осадочных пород: торф, бурый и каменный уголь, антрацит образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греческих слов „каустос" - горючий, „биос" - жизнь, „литое" -камень, т. е. горючий органический камень). Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и нефтяного ряда, последние называются битумами. Все каустобиолиты содержат углерод, водород и кислород, но в разном соотношении.

В недрах нашей планеты без устали происходит круговорот вещества. Оно начинается на глубине около 3 тыс. км на границе ядра и мантии, откуда горячий и относительно легкий материал всплывает вверх и через 15-16 млн. лет достигает подошвы литосферы - верхней и наиболее тонкой земной оболочки. Растекаясь по ее подошве, мантийное вещество за счет сил вязкого трения „разрывает" литосферу на несколько плит, которые раздвигаются от области выхода глубинного потока и дрейфуют в горизонтальном направлении в конце концов одна плита как бы „заталкивается" под другую.. При погружении литосферной плиты силы трения разогревают эту зону на сотни градусов и начинается главная фаза нефтеобразования.

Нефть - Нефть - это горная порода, относящееся к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Одно из важных свойств нефти - способность гореть.

В глубокой древности было известно существовании нефти. Знали и слово «нефть». Еще древние греческие летописцы Геродот и Плиний это горючее вещество, использовавшееся, и как цемент называли «нафта». Во время путешествия Колумба в Америку было описано озеро на острове Тринидад, в котором жители собирали асфальт, а из него готовили цемент. В Северной Америке примитивная добыча нефти велась с XVII века. В России в начала XVIII века Петр 1 приказал добывать нефть на Апшеронском полуострове (Азербайджан). Однако намерение Петра 1 не было осуществлено. Только после Бакинского ханства к России, началась кустарная разработка нефтяных источников. Нефть была довольно дорогим товаром. К примеру, ведро нефти стоило 3-4 раза дороже, чем ведро вина.

Древние египтяне применяли ее также для бальзамирования трупов, древние греки находили применение горящей нефти в военных целях, как воспламеняющегося вещества вместе с селитрой, серой и смолой для изготовления «огненных стрел» и «огненных горшков». Многие народы использовали нефть в медицине, а также для защиты садов и виноградников от вредителей. Еще в ХШ веке Марко Поло, описывая иракскую нефть, указывал, что она применялась для освещения и в качестве лекарства от кожных болезней. Ее применяли в живописии в качестве растворителя для красок.

Соединения сырой нефти - это сложные вещества, состоящие из пяти элементов - 82-87% углерода, 11-15% водорода, 2,5-3% серы, 0,1-2% кислорода и 0,01-3% азота.

Нефть легко транспортируется. В процессе пе­реработки из нее получают широкой ассортимент продук­тов: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, различные смазочные масла, пластмассы, синтетический каучук, мо­ющие средства. Чаще всего нефть залегает вместе с природным газом, образуя нефтегазоносные бассейны. Нефть добывают, в основном, посредством буровых скважин. При неглубоком залегании нефтяных пластов к земной поверхности добы­чу осуществляют шахтным способом. Самая глубокая скважина на Кольском п-ве – 12км. В РБ 5420 м. Месторождения нефти неравномерно размещены по земному шару. Мировые запасы – 840 млрд. т.у. т. Слайд 6 месторождения ТПИ

В зависимости от размеров начальных запасов подразделяют нефтяные месторождения на пять групп: мелкие (до 10 млн. т), средние (10—50), крупные (50 — 500), гигантские (500 — 1000) и уникальные (свыше 1 млрд. т). По данным к категории уникальных и гигантских относились всего (0,18 %), но доля их в общих запасах превышает 80 %.Слайд7

62% всего нефтяного запаса мира сосредо­точено на Аравийском полуострове и акватории Персид­ского залива. Состав «первой десятки» в 1993 году 1Саудовская Аравия (420 млн. т), 2США, 3Россия, 4Иран (185), 5Мексика (155), 6Китай (145), 7Венесуэла (115), 8Норвегия (ПО), 9ОАЭ (ПО) и 10Нигерия (95). Доля стран ОПЕК в мировой нефтедобыче в 1993 году достигла 43%. Слайд8 и 9

Перспективными являются месторождения нефти в шельфовой зоне морей и океанов. На морские месторождения в настоящее вре­мя приходится 25% общемировой добычи нефти. Круп­ные запасы нефти - в нефтеносных песках, битуминозных породах (содержат так называемую тяжелую нефть). Освоить эти запасы в промышленных масштабах пока не удается.

Мировые энергетические по­требности на 32% удовлетворяются за счет нефти. В начале человек не задумывался, что таит в себе интенсивная добыча нефти и газа. Главным было выкачать их как можно больше. Но вот в начале 40-х гг. прошлого столетия появились первые настораживающие симптомы.

В 1939 г. Жители городов Лос-Анджелес и Лонг-Бич почувствовали довольно сильные сотрясения земной поверхности - началось проседание грунта под месторождением. Напуганные этими событиями власти Лонг-Бич прекратили разработку до разрешения возникшей проблемы. К 1954 году было доказано, что наиболее эффективным средством борьбы с проседанием является закачка в пласт воды. Это сулило увеличение нефтедобычи. Первый этап работ по заводнению был начат в 1958 году, когда стали закачивать в продуктивный пласт без малого 60 тыс. м³ воды в сутки. Через 10 лет интенсивность закачки возросла в два раза и составила 122 тыс. м³/сутки. Проседание практически прекратилось. Месторождение вновь вступило в эксплуатацию, при этом на каждую тонну нефти приходилось 1600 литров воды.

Попутно нельзя не затронуть и вопрос о глубине переработки нефти. В России она гораздо ниже, чем, например, в США. Отсюда — меньший выход легких фракций и очень высокая доля (37%) топоч­ного мазута. Не приходится удивляться тому, что в США галлон бен­зина (3,8 литра) стоит дешевле (один доллар). Расчеты говорят о том, что если бы удалось повысить глубину переработки нефти хотя бы с 63 до 75—77%, это можно сэкономить 40 млн. т нефти в год.

Менделеев впервые обратил внимание на то, что нефть является важнейшим источником химического сырья, а не только топливом; Ему принадлежит известное высказывание: «Сжигать нефть — всё равно, что топить ассигнациями».

Природный газ - самый дешевый вид топлива. Запасы природного газа оцениваются в 300-500 трлн. м³. Природный газ располагается в залежах, представляющих собой купола из водонепроницаемого слоя (глины), под которым в пористой среде под давлением находится газ, состоящая в основном из СН₄. На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений.

При сжигании он дает много тепла и не требует специальной переработки. Природный газ легко добывать. Для этого не нужны насосы. Его удобно транспортировать в сжи­женном состоянии в специальных цистернах, а не только с использованием газопроводов. Этот вид топливно-энергетических ресурсов также при­меняют для производства азотных удобрений, пластмасс, синтетических тканей (капрона, нитрона).Природный газ размещен в недрах Земли еще более неравномерно, чем нефть. Первое место в мире по ресурсам газообразного топлива занимает Россия (месторождения Западной Сибири). Значительные месторождения газа рас­положены в странах Ближнего и Среднего Востока (осо­бенно велики ресурсы в Иране, Саудовской Аравии, на акватории Персидского залива). Меньше запасы в США, Северной Африке, Венесуэле. Перспективны - шельфовые зоны Мирового океана.В мировом энергетическом балансе на долю природно­го газа приходится 17%, в ряде стран (США, Западной Европе, Японии) выше. Кроме того, более половины площади шельфа еще не исследовано в отношении газоносности. На суше изучены лишь 30% перспективных на это сырье тектонических структур.

К топливно-энергетическим ресурсам относится уголь: (300-500 трлн.м^{3 )} бурый и каменный, антрацит. Бурый уголь отличается низкой теплотворностью. Поэтому он используется в ка­честве топлива в местах добычи. Каменный уголь харак­теризуется большой теплотворной способностью. Один из его видов при соответствующих условиях может превра­щаться в прочный кокс. Коксующиеся угли используются в черной металлургии для выплавки чугуна и стали. Ан­трацит дает значительное количество тепла при сгорании и эффективно применяется в энергетике. Кроме того, уголь - сырье для производства пласт­масс, смол, лекарств, удобрений и другой продукции хи­мической промышленности. Уголь добывают открытым и подземным способами. При близком залегании угля к земной поверхности его добыча осуществляется открытым способом. Это наиболее выгодный и дешевый способ добычи. Угленосные бассейны размещены неравномерно на тер­ритории земного шара. На долю России и сопредельных государств, США, Китая и ЮАР приходится более 90% добычи каменного угля. Крупными запасами данного вида топлива обладают Польша, Германия, Австралия, Великобритания и другие страны. До 60-х гг.XX в. в структуре мирового топливного ба­ланса доминировал уголь (более 50%). В 80-х гг. XX в. в связи с использованием нефти и газа доля угля сократи­лась (до 28%).