Воздействие на окружающую природную среду распространения плюма взвешенных частиц в водной толще при глубоководной добыче ЖМК в провинции Кларион-Клиппертон Тихого океана

Начавшееся инженерно-геологическое изучение глубоководных областей Мирового океана, и в частности, рудной провинции Кларион-Клиппертон в приэкваториальной части Тихого океана, связано с необходимостью установления реальной возможности промышленного освоения твердых полезных ископаемых океанского дна и в первую очередь железомарганцевых конкреций, обогащенных никелем, медью, кобальтом и некоторыми другими микроэлементами. Железомарганцевые образования широко распространены в глубоководных областях Мирового океана. Наиболее богатой из них в настоящее время считается рудная провинция (поле) Кларион-Клиппертон, выделенная на площади, ограниченной координатами 5-19° с. ш. и 115-158° з. д. (рис. 1). В рудной провинции Кларион-Клиппертон Международным органом по морскому дну (МОМД) при ООН выданы сертификаты на разведку и промышленное освоение железомарганцевых конкреций Российской Федерации (1987 г.), Японии, Французской Республики, Китайской Народной Республики, Республики Корея, а также СО «Интерокеанметалл» (1991 г.) в составе Республики Болгария, Республики Куба, Республики Польша, Российской Федерации, Словацкой Республики и Чешской Республики. Для каждого заявителя выделены участки (Разведочные районы) площадью 75 тыс. км2

Рисунок 1 - Морфологическая схема рудной провинции Кларион-Клиппертон:

1 — впадины (I — Молокаи-Кларион, II — Кларион-Клиппертон, III — Клиппертон-Галапагос); 2 — поднятия (1 — архипелаг Лайн, 2 — Лаптева, 3 — Купера, 4 — Гавайское, 5 — западных отрогов Гор Математиков); 3 — зоны трансформных разломов; 4 — другие разломы, отраженные в рельефе; 5 — граница рудной провинции

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.41.1

Российский контрактор АО «Южморгеология» ежегодно с соблюдением сроков представляет в МОМД развернутые годовые отчеты о выполнении программы деятельности в разведочном районе. Однако стоит отметить, что 28.03.2026г. завершается период второго продления контракта с МОМД. До истечения данного срока Российским контрактором должна быть подана заявка на утверждение плана работ по разработке месторождения или на очередное продление геологоразведочных работ.

На этапе поиска и разведки морских полезных ископаемых МОМД предписано, в частности, устанавливать и подвергать периодическому обзору природоохранные нормы, правила и процедуры, необходимые для обеспечения эффективной защиты морской среды от вредных для нее последствий, которые могут возникнуть в результате деятельности в районе, и вместе с поручившимися государствами применять осторожный подход к такой деятельности, опираясь на рекомендации юридической и технической комиссии. Кроме того, в контракты на разведку полезных ископаемых включается требование о том, чтобы контрактор собирал океанографические и фоновые экологические данные и устанавливал экологический фон, используемый для оценки вероятного воздействия его программы деятельности в рамках плана работы по разведке на морскую среду, а также программу мониторинга такого воздействия и сообщения о нем.

Фоновые данные, документирующие природные условия до начала добычных испытаний, крайне необходимы для мониторинга изменений в результате воздействия добычных испытаний и для прогнозирования последствий коммерческой добычной деятельности.

В рамках сбора данных применительно к свойствам осадков по требованию МОМД необходимо:

· устанавливать основные свойства осадочного чехла, в том числе измерять механику и состав почв, чтобы адекватно выяснить характеристики поверхностных осадочных отложений, из которых может потенциально образоваться глубоководный шлейф;

· брать пробы осадков с учетом изменчивости морского дна.

Сбор фоновых данных (свойства осадков, включая химию поровых вод) ориентирован на прогнозирование поведения шлейфа сбросов и воздействия испытательных добычных работ на состав осадков. В этой связи следует измерять следующие параметры: удельная масса, объемная плотность, сопротивление сдвигу и зернистость, а также глубина, на которой осадочная среда меняется с окисной на субокисную или с субокисной на окисную. Следует замерять присутствие органического, равно как и неорганического, углерода в осадках, присутствие металлов, которые могут быль вредными в какой-либо форме (железо, марганец, цинк, кадмий, свинец, медь и ртуть), питательных веществ (фосфат, нитрат, нитрит и силикат) и карбоната (щелочность), а также окислительно-восстановительную систему в поровой воде. На глубину до 20 см следует определить геохимию поровой воды и осадочного чехла

Оценка экологического воздействия требуется, если площадь, охватываемая одним комплексом пробоотборных работ, выполняемых эпибентическими салазками, драгой, тралом или аналогичным методом, превышает 10 000 м2.

В 2024 году совет МОМД проведет 29-ую сессию, на которой обсудят создание и утверждение проекта правил глубоководной добычи полезных ископаемых с морского дна. В настоящее время не представляется возможным оценить ущерб окружающей природной среде при промышленной добычи полезных ископаемых с морского дна. Это является одной из основных причин, по которой начиная с 2014 года проект правил глубоководной добычи так и не утвержден.

Строение осадочного чехла в провинции Кларион-Клипертон Тихого океана

Основы изучения стратиграфии рудной провинции Кларион-Клиппертон заложены исследованием кернов скважин глубоководного бурения. По результатам обработки данных глубоководного бурения в экваториальной части Тихого океана были выделены океанические формации.

Большая часть слоев кайнозойской осадочной толщи выходит на донную поверхность, где они изучены по многочисленным грунтовым колонкам длиной 5-6 м, отобранным в процессе как геологоразведочных работ на железомарганцевые конкреции, так и при других видах морских геологических исследований. Отметим, что детально опробованная легкими техническими средствами верхняя (придонная) часть разреза кайнозойских отложений довольно часто отсутствует в кернах глубоководных скважин. Исследование колонок донных грунтов позволило построить весь разрез осадочного чехла кайнозоя от голоцена до среднего эоцена, провести биостратиграфическое обоснование их возраста, корреляцию с разрезами скважин глубоководного бурения и увязку с сейсмоакустическими разрезами, расстояние между которыми не менее 50 км. (рис. 2). 

Рисунок 2 - Стратиграфическая схема верхнемеловых-верхнекайнозойских отложений зоны Кларион-Клиппертон:

1 — глинистые осадки и отложения; 2 — карбонатные и глинисто; 3 — кремнистые; 4 — карбонатно-глинистые; 5 — металлоносные (глины, карбонаты обогащённые Fe-Mn окислами) отложения; 6 — перерыв в осадконакоплении; 7 — кремни; 8 — цеолиты; 9 — базальты; 10 — Fe-Mn конкреции; 11 — фациальные замещения

Примечание: приводится по источнику [6]

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.41.2

Геохимически активный слой осадка является средой обитания бентосных сообществ. Поля ЖМК создают благоприятные условия для их жизнедеятельности, что приводит к увеличению численности биоты в местах наибольшего скопления ЖМК

[7]

. При добыче наиболее продуктивных залежей конкреций уничтожается большое количество живых организмов, что приводит к снижению видового разнообразия. Физическое нарушение поверхностного слоя осадка может вызвать образование плюма взвешенных частиц, который переносится придонными течениями и создает слой переотложенных осадков. Этот слой может практически захоронить бентосную фауну и лишить ее питания. Переотложенный слой также лишает доступа к питательным веществам геохимически активного слоя бентических сообществ. Воздействие нарушений осадочного слоя ведет к высвобождению тяжелых металлов, увеличению концентрации питательных веществ в водной толще и увеличению мутности воды взвешенными частицами осадка

[8]

.

Исследования в области распространения осадочного шлейфа в районах залегания ЖМК ограничены результатами испытаний, проведенных в 1970-х годах компанией Ocean Mining Inc. (OMI) и Ocean Mining Associates (OMA), а также результатами экспериментов по воздействию на бентос и моделированию деятельности, проведенной в 1990-х годах Федеративной Республикой Германии (DISCOL/ATESEPP; Peru Basin), Японией (JET; Japanese CCFZ claim area) и РФ /США (NOAA-BIE; российско-американские эксперименты BIE-I и BIE-II). Они были сосредоточены в первую очередь на определении воздействия перемещенного шлейфа донных отложений на бентическую фауну. В этих экспериментах объем повторно отложенных осадков в окрестностях пострадавших участков был определен на основе снимков морского дна и численного моделирования, проведенного измерения временных рядов океанических придонных течений и установленных статических размеров частиц и скоростей осаждения. Технология глубоководных наблюдений на момент проведения этих экспериментов не позволяла проводить всесторонний мониторинг реальных шлейфов наносов, поскольку они распространялись в поперечном и вертикальном направлении от места источника, а также оценивать процессы дифференциальной агрегации частиц, которые определяют повторное осаждение взвешенных частиц из шлейфа

В эксперименте JET глубоководный механизм по ресуспендированию донных отложений (DSSRS) буксировали 19 раз вдоль двух параллельных зон буксировки длиной 2000 м в течение 1 месяца, выбрасывая 352 тонны суспензии донных отложений со скоростью около 60 л/с на высоте примерно 5 м над морским дном. Анализ улавливания отложений и результаты моделирования показали, что повторное осаждение достигало мощности до 2,6 мм. Более того, эмпирические данные, данные моделирования и технически очень похожие эксперименты NOAA-BIE показали, что 90% взвешенных частиц, созданных искусственным возмущением морского дна, осели в радиусе 2 км от зоны воздействия. Время рассеивания шлейфа, создаваемого одним коллектором с предполагаемой производительностью 10 кг/с (примерно в 5 раз превышающей производительность DSSR) на относительно небольшой площади (длина пути около 1500 м), составило от 1,5 до 6 дней.

Оборудование, которое использовалось в ранее проведенных экспериментах не позволило получить результаты с высокой точностью, в связи с тем, что измерения были точечными. Современное оборудование и методы позволяют производить измерения непрерывно на протяжении всего диапазона глубин. Кроме того, проведенные эксперименты и моделирование были в большей степени сосредоточены на разрушении дна и восстановлении фауны, чем на рассеивании шлейфа в толще воды, и они представляют собой относительно мелкомасштабные разовые выбросы, которые, нельзя экстраполировать на промышленный масштаб, непрерывную добычу ЖМК.

В 2021 году компанией Global Sea Mineral Resources (GSR) и Федеральным институтом наук о Земле и природных ресурсов Германии в течение 30 дней были проведены испытания добычного комплекса Patania II по сбору ЖМК. На рисунке 3 представлены кадры, полученные во время испытаний Patania II.

На фотографие сверху показано образование седиментационного плюма после прохождения добычного комплекса. На фотографиях снизу, представлена мощность переотложенного осадка в зависимости от расстояния до участка испытаний.

В результате данных испытаний производился непрерывный мониторинг седиментационного плюма, полученного при воздействии добычного оборудования на донные осадки. 

Рисунок 3 - Фотографии сделанные во время испытания добычного комплекса Patania II

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.41.3

Исследование свидетельствует о том, что при удалении верхнего слоя грунта толщиной от четырёх до восьми сантиметров, образующийся плюм не подымается более чем на 5–10 метров над дном. Толщина слоя перераспределенного осадка в зоне проведения тестов достигает 2–3 см, в то время как в тысяче метров от места исследований их совсем не обнаруживается. Было также установлено, что плюм распространяется с помощью придонных течений: за 24 часа частицы в низких концентрациях перемещаются на расстояние в 4000 м.

Потенциальные экологические проблемы, связанные с образованием плюма в ходе глубоководной добычи ЖМК, включают:

-искусственное переотложение частиц осадочного чехла из распространяющегося плюма и покрытие ими дна в непосредственной близости от места добычи,

-погребение бентических организмов и засорение дыхательных поверхностей питающих фильтров,

-нарушение кислородного обмена на морском дне,

-загрязнение донных отложений, отложение потенциально токсичных металлов, что может привести к биоаккумуляции загрязняющих веществ.

 Эти процессы повлияют на структуру и функционирование глубоководной экосистемы в определенной, но в настоящее время неизвестной степени. На сегодняшний день лишь немногие исследования были сосредоточены на анализе и моделировании масштабов этого воздействия в различных экологически значимых временных и пространственных масштабах, что зависит от множества местных и региональных факторов, таких как физические и химические свойства донных отложений, характер гидродинамического режима (ближнее поле и дальнее поле), рельеф дна, тип используемого горного оборудования и скорость добычи. На данный момент количество отложений из плюма, образовавшегося в результате добычи полезных ископаемых, неизвестно.

Сбор конкреций и удаление связанных с ними мелкозернистых илов существенно нарушает среду обитания бентоса в районе добычи полезных ископаемых, что приводит к значительному изменению среды обитания морского дна и влечет за собой образование шлейфов наносов вблизи морского дна. С точки зрения физического воздействия, удаление конкреций (и отложений) с морского дна также изменит рельеф добычного участка (например, уменьшит трение из-за удаления конкреций; образование небольших борозд и гребней), что, в свою очередь, влияет на локальный гидродинамический режим течения вблизи морского дна, а также на процессы седиментации / повторного осаждения.

При исследовании горизонтальной протяженности плюма взвешенных частиц в результате работы добычного комплекса Patania II была получена модель, отражающая расстояние переноса взвешенных частиц от места добычи (рис. 4). 

Рисунок 4 - Площадь распространения плюма взвешенных веществ в результате работы добычного комплекса Patania II

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.41.4

Непосредственно в конце испытания Patania II контур концентрации 0,1 мг/л имеет протяженность 5 км при моделировании в марте 2009 г., около 7 км при моделировании в апреле 2009 г. и до 10 км при моделировании в мае 2009 г. Шлейф имел вытянутую форму и большую длину в мае 2009 г. период из-за более сильного и постоянного течения в течение этого периода моделирования. Напротив, форма шлейфа более концентрична для моделирования в марте 2009 года из-за переменного направления течения в данном периоде.

Через пять дней после окончания испытания Patania II шлейф в значительной степени исчез из водной толщи из-за осаждения и разбавления, и виден только контур 0,01 мг/л (вблизи или за пределами предела зоны обнаружения для современных измерительных устройств). Контуры частоты возникновения имеют в основном ту же форму, что и контуры мгновенной концентрации, и в значительной степени определяются преобладающим направлением течения во время испытания.

Оставшийся более глубокий и плотный слой отложений покрыт несколькими сантиметрами осадков, образующихся при выпадении шлейфа. Кроме того, уплотнение отложений, вызванное гусеницами добычного комплекса, приведет к вытеснению поровых вод. В обоих случаях такие более жесткие и менее пористые отложения, труднее повторно колонизировать биотурбирующим организмам, которые смешиваются с рыхлыми, нетронутыми осадками.

Удаление верхних отложений в зоне непосредственного испытания и повторное осаждение этих отложений после сброса и рассеивания в более отдаленные районы приведет к удушению состояния организмов, закупорке органов дыхания и фильтрационного питания отдельных организмов

В рамках данной статьи были проанализированы различные эксперименты, при которых было зафиксировано образование плюма взвешенных частиц в водной толще из-за воздействия добычных систем на морское дно в провинции Кларион-Клиппертон Тихого океана. Результаты анализа показали, что действие добывающего оборудования влияет на подводное окружение и на их условия жизни в существующей природной среде. Обнаружено, что образование переосажденного слоя осадочных частиц ухудшает условия существования бентосных существ, таких как губки, актинии, полихеты и голотурии, погребая их и ограничивая доступ к питательным элементам, находящимся в нижнем слое водной толщи. При извлечении конкреций также теряется множество прикреплённой фауны, и разрушение верхнего слоя осадков лишает местную биоту, включая морские звезды и голотурии, возможности поддерживать питание.

Учитывая современные технологии добычи твердых полезных ископаемых с морского дна, любая добычная техника будет разрушать или удалять часть поверхностного слоя (порода, конкреции и осадки), создавая придонный операционный плюм взвешенных частиц, который будет воздействовать на морскую жизнь. Исходя из выше сказанного рекомендуем разработать мероприятия по смягчению удаления субстрата, предусматривать естественную реколонизацию морского дна, разрабатывать методы сведения к минимуму пространственных и временных масштабов воздействия непосредственного физического контакта техники с морским дном и осаждения материалов из образовавшегося плюма.