CC BY
790
30
Ноосфера, цивилизация, окружающая среда
В.А. Щерба
Освоение минеральных ресурсов России: проблемы комплексного использования и охраны окружающей среды
В статье приводится краткая характеристика основных видов минеральных ресурсов Российской Федерации. Проведена оценка негативного влияния различных способов добычи полезных ископаемых на окружающую среду. Особо выделены экологические проблемы освоения минеральных ресурсов углеводородов на российском шельфе. Предложены пути решения проблем, связанных с комплексным использованием минеральных ресурсов и охраной окружающей среды.
Ключевые слова: минеральные ресурсы, месторождения, нефтяные и газовые месторождения, комплексное использование, континентальный шельф, экологические проблемы, охрана окружающей среды.
В России открыто и разведано около 20 тысяч месторождений полезных ископаемых, из них третья часть введена в освоение. Крупные и уникальные месторождения (около 5% от общего числа) заключают почти 70% разведанных запасов и обеспечивают до половины добычи минерального сырья. Минерально-сырьевой комплекс Российской Федерации обеспечивает более 50% доходной части бюджета, около 60% объемов производства промышленной продукции, более 70% экспорта
и валютной выручки, 100% стабилизационного, резервного фондов и фонда национального благосостояния [4].
Проблема национальной безопасности на современном этапе развития государства в большой степени определяется экономическими и технологическими факторами, в том числе природными запасами минерального
сырья, где доминирующую роль играют топливно-энергетические ресур- |
и:
сы и их рациональное и комплексное использование. о
Российская Федерация занимает 30% шельфовых акваторий, обладает 22% лесных ресурсов, 20% пресных вод и 16% всех общемировых минерально'-сырьевых ресурсов. Доля России в мировых запасах, например, палладия, составляет 90%; редких и редкоземельных элементов: тантала —80%, иттрия - 50%, ниобия —35%, лития - 28%, бериллия - 15%, циркония - 12%; газа - 32%; агрохимических руд: калийных солей -31%, фосфатов - второе место в мире; металла металлургического производства: олова - 21%, железа - 26%, цинка - 16%, свинца - 12%; кобальта - 21%. Кроме этого, Россия по разведанным запасам золота находится на третьем месте в мире (установленные запасы последнего в абсолютном измерении составляют около 4500 т).
В целом минерально-ресурсный потенциал России характеризуется такими особенностями, как крупномасштабность и комплексность. Ни у одной другой страны мира нет минерально-сырьевой базы такого объема и спектра: от нефти, газа и угля до практически всех металлических (за исключением достаточного количества эффективных для разработки разведанных запасов марганцевых и хромовых руд, а также титана) и неметаллических полезных ископаемых [1].
В соответствии с федеральными законами Российской Федерации «О недрах» и «Об охране окружающей среды» недра являются частью земной коры, расположенной ниже почвенного слоя, а при его отсутствии - ниже земной поверхности и дна водоемов и водотоков, простирающейся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения.
Кроме законодательных положений, основными требованиями по рациональному использованию и охране недр являются: проведение опережающего геологического изучения недр; обеспечение наиболее полного извлечения из недр основных и совместно с ними залегающих полезных ископаемых и попутных компонентов; предотвращение загрязнения недр при проведении работ, связанных с пользованием недрами; соблюдение установленного порядка консервации и ликвидации предприятий по добыче полезных ископаемых и подземных сооружений, не связанных с добычей полезных ископаемых. При этом должны предусматриваться
технологии
Ноосфера, цивилизация, окружающая среда
мероприятия по охране окружающей среды, восстановлению природной мероприятия по охране окружающей среды, восстановлению природной
среды, обеспечению экологической безопасности [7; 13].
Как известно, минеральные ресурсы - это все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как минеральное сырье или источники энергии (рудные и нерудные ископаемые, гидротермальные источники и т.п.). Рациональное использование природных ресурсов, в том числе минеральных, представляет собой максимально полное извлечение из природного ресурса всех полезных продуктов. При этом наносится наименьший вред отраслям хозяйства, базирующимся на том же ресурсе, и состоянию природной среды, необходимой для жизни и поддержания здоровья человека. Охрана недр - совокупность мероприятий, обеспечивающих наиболее полное извлечение полезных ископаемых, сохранность геоморфологических структур, свойств и энергетического состояния верхних слоев литосферы [10].
Стратегия развития горного дела как основы экономики и национальной безопасности должна базироваться на стратегии рационального использования ресурсов, непрерывного восполнения минеральносырьевого комплекса новыми запасами минерального сырья. В условиях рыночной экономики комплекс геологических, горнотехнических, технологических, экологических и экономических исследований по восполнению минерально-сырьевой базы должен выполняться по единой научно-обоснованной методике, единым научно-обоснованным требованиям к оценке подготовленности месторождений для комплексного промышленного их освоения на базе прогрессивных технологий добычи и переработки, в частности, кучного выщелачивания минерального сырья.
Необходимо отметить, что количественное опережение прироста запасов над их погашением - обязательное условие функционирования системы расширенного воспроизводства минерально-сырьевой базы. Использование новейших достижений особенно необходимо в связи с усложнением природно-геологических условий производства геологоразведочных работ, выходом их на шельф и в Мировой океан, а также с необходимостью оценок новых генетических и геолого-промышлен-ных типов месторождений полезных ископаемых, выявления нетрадиционных видов и источников минерального сырья и резко возросшими требованиями к охране окружающей среды. Научно-технический прогресс в геологии должен рассматриваться как процесс, призванный противостоять факторам ухудшения горнотехнических условий освоения месторождений, как рычаг в поисках альтернативных их источников, как средство решения острых экологических проблем [8].
В процессе разведки и последующей разработки месторождений полезных ископаемых наблюдаются случаи нерационального использования минеральных ресурсов, ухудшения состояния недр и интенсивного, подчас катастрофического загрязнения окружающей среды. В качестве примера техногенного воздействия на природу рассмотрен район, в котором осуществляется деятельность Норильского горно-металлургического I
комбината (НГМК). В состав последнего входят три плавильных завода, и
две обогатительные фабрики, карьер вблизи ручья Медвежий, рудники Заполярный, Маяк, Комсомольский, Октябрьский, Таймырский и Глубокий. Добыча руды, ее обогащение с разделением на готовый продукт для переплавки и шлам, накапливаемый в хвостохранилищах, и, наконец, выплавка меди, никеля, кобальта, платины, ряда других платиноидов и концентрата металлов - файнштейна - эти этапы горно-металлургического производства, взятые вместе, являются становым хребтом экономики региона. Загрязнение природных сред тяжелыми металлами в Норильском районе может быть связано с геохимическими аномалиями в местах, где на поверхности или вблизи нее оказываются залежи руд. Однако в гораздо большей степени металлы-загрязнители доставляются по воздуху с дымами плавильных заводов, а также с выбросами других предприятий, выхлопными газами автотранспорта и с пылью, поднимаемой с промплощадок, хвостохранилищ и отвалов [3].
Норильск - город самой высокой промышленной эмиссии сернистого ангидрида на планете. Выбросы этого газа через трубы плавильных заводов: никелевого и медного, а также многопрофильного комбината «Надежда», - неизменно оценивались в последнее десятилетие цифрами свыше 2,0 млн т в год. Очень велико загрязнение воздуха индустриальной пылью, хотя оно и составляет не более 5% от всех выбросов, далее идут соединения азота, фенол, хлор и тяжелые металлы. Зимой Норильский промышленный регион вырисовывается на космических снимках в виде расплывшегося темного пятна на белой снежной поверхности. Загрязняющие вещества калечат хрупкую арктическую природу. Однако и другие антропогенные воздействия также наносят ей большой вред. Рудники Маяк и Комсомольский и прилежащие техногенные пустоши находятся в водоохранной зоне эксплуатируемого месторождения подземных вод, что создает опасность его загрязнения и деградации. Информация о Норильске показывает, что широкомасштабное воздействие горно-металлургического производства на арктические природные системы ведет к сильнейшему их нарушению [Там же].
В процессе карьерных разработок осуществляется выемка и аккумуляция горных пород, изменяющих геолого-геоморфологические условия
технологии
Ноосфера, цивилизация, окружающая среда
не только района добычи, но и прилегающих территорий. При этом создается новый техногенный рельеф: отрицательные формы карьеры, а в угольной отрасли - разрезы, чередуются с положительными -отвалами пустой породы. Глубины карьеров, достигающие 400-500 м, приурочены к открытой разработке угольных и рудных месторождений, а также алмазов. Например, при разработке Михайловской группы железорудных месторождений Курской магнитной аномалии глубина карьеров достигает почти 100 м. При этом формируются внешние многоярусные отвалы с длительностью функционирования от 25 до 50 лет. Площадь отвалов составляет 75 км2 и ежегодно увеличивается на 2,5 км2. Объем складированных пород равен 500 млн м3. При разработке Коршуновского железорудного месторождения на склоне северной экспозиции р. Коршуниха были созданы отвалы из шести ярусов высотой от 15 до 30 м, занимающие площадь 5 км2 [3]. Таким образом, открытый способ извлечения полезных ископаемых приводит к возникновению нового техногенного сильно расчлененного рельефа на горнодобывающих территориях. За счет техногенных воздействий (вскрытия котлована, промывки россыпей драгами и укладки пустой породы в отвалы) увеличивается интенсивность и экстенсивность склоновых, эрозионноаккумулятивных, карстовых, суффозионных процессов, как правило, приводящих к существенным экологическим изменениям литосферы, связанным с потерей земельных ресурсов и нарушением среды обитания биоты.
Добыча полезных ископаемых с помощью скважин, так же как открытый и закрытый способы разработки месторождений, изменяет природный рельеф, хотя в значительно меньшей степени. За счет откачки больших объемов флюидов происходят опускания дневной поверхности. В нашей стране этот процесс особенно актуален для нефтегазовой провинции Западной Сибири. Опускание этой территории даже на несколько сантиметров может увеличить ее и без того сильную заболоченность и вызвать необратимые изменения существующих экогеосистем.
Значительная часть запасов нефти и газа на территории России приурочена к криолитозоне. Скважинная разработка нефтегазовых месторождений в условиях вечной мерзлоты вызывает трансформации геокриологических процессов с неблагоприятными экологическими последствиями не только для человека, но и для экогеосистемы в целом. На действующих месторождениях углеводородов в результате нарушений растительного и почвенного слоя и оттаивания мерзлых пород вокруг приустьевой части скважин образуются термокарстовые воронки глубиной до 1-1,5 м и более, резко увеличивающиеся при
возникновении пожаров на скважинах. На некоторых месторождениях Западной Сибири такие термокарстовые воронки зафиксированы вокруг почти 50% скважин [3].
В результате горных работ в природной среде возникают геохимические, гидрогеологические, химические, физико-химические, температурные изменения. Кроме того, работы, связанные с добычей полезных |
и:
ископаемых, подземным строительством, эксплуатацией подземных и сооружений различного назначения, приводят к образованию и существованию свободного подземного пространства, наличие которого может привести к катастрофическим последствиям. Примером могут служить пустоты объемом 330 млн м3 под городами Березники и Соликамск, накопившиеся в результате несвоевременного производства ликвидационных работ и закладки выработанного пространства подземных рудников на Верхнекамском месторождении [12].
В настоящее же время, когда деятельность человека стала мощным геологическим фактором, игнорирование современных геодинамических процессов ведет к тому, что создаваемые инженерные системы не вписываются в природные системы и поэтому наносят друг другу взаимный ущерб. Еще на самых ранних стадиях разработки месторождений горняки столкнулись с подземными силами природы в виде внезапных техногенных землетрясений. Резкое изменение геодинамической обстановки на апатитовых рудниках в Хибинском массиве произошло в связи с возрастанием интенсивности горных работ и суммарного объема выемки полезных ископаемых.
К новому классу геодинамических явлений относятся техногенные тектонические движения. Разработка месторождений нефти и газа в ряде случаев провоцирует техногенные землетрясения. При интенсивном отборе флюидов, а также закачке в пласт жидкости могут возникать сейсмические события. Техногенные землетрясения в продуктивной толще характеризуются магнитудой до 3,5 баллов, а с очагами выше и ниже пласта - до 4,5 [11]. В России наибольшее количество техногенных землетрясений зарегистрировано при разработке Ромашкинского нефтяного месторождения. Сейсмические явления отмечены и на месторождениях Западной Сибири, относившейся ранее к геодинамически спокойным регионам. Управление горнотехническими факторами и их сочетанием с горно-геологическими условиями позволяет снизить геодинамическую опасность при разработке месторождений.
Прогнозирование геодинамических явлений - необходимая составная часть не только управления технологическим процессом при разработке опасных месторождений полезных ископаемых, но и защиты
технологии
Ноосфера, цивилизация, окружающая среда
окружающей среды. В настоящее время наиболее сложен прогноз техногенной сейсмичности, поскольку многие вопросы природы и механизма этого явления пока не достаточно исследованы. Таким образом, горнодобывающая деятельность человека существенно влияет на недра, трансформирует геодинамическую экологическую функцию литосферы, изменяя ее экологические свойства, обусловливая усиление интенсив-ностной неоднородности проявления геологических процессов во времени и пространстве, перераспределение напряжений в литосферных блоках, усиление синергетических эффектов, увеличивающих негативные экологические последствия [12].
Целесообразно отдельно рассмотреть вопросы рационального и комплексного использования минеральных ресурсов при разведке и добыче твердых полезных ископаемых и углеводородного сырья. Особое внимание уделим наиболее перспективному направлению геологоразведочных работ на нефть и газ на российском шельфе. В настоящий момент разработана Государственная программа изучения и освоения континентального шельфа Российской Федерации, реализация которой позволит изучить и освоить минерально-сырьевой потенциал шельфа с одновременным развитием транспортной инфраструктуры, судостроительной промышленности при соблюдении требований экологической безопасности ведения работ в условиях хрупкой экологической системы Арктического региона [5].
При разработке системы экологического сопровождения нефтегазодобывающих работ необходимо соблюдать основные принципы:
- приоритетность - производство работ на шельфе не будет осуществляться за счет нарушения экологического равновесия в природной среде; меры по предотвращению экологических последствий превалируют над мерами по их ликвидации;
- обоснованный риск - принятие решений по экологической деятельности основывается на зарубежном и отечественном опыте освоения месторождений, на проведении моделирования (прогнозных оценок) возможных экологических последствий добычной деятельности, базирующихся на результатах мониторинга [6].
Освоение морского нефтегазового месторождения осуществляется в несколько этапов: геолого-геофизические изыскания по поиску перспективных структур, содержащих нефть и газ; проведение разведочно-поисковых буровых работ по вскрытию продуктивных пластов этих структур; подготовка и обустройство месторождений; оборудование месторождений технологическими и коммуникационными сооружениями; эксплуатация месторождений и их ликвидация [2].
На каждом из этих этапов, особенно при несоблюдении природоохранных требований и соответствующего законодательства, возможно нанесение вреда различным компонентам морской среды. Негативные последствия в результате загрязнения окружающей среды могут проявляться в изменении ее качества, деградации естественных экологических систем и истощении природных ресурсов. Механическое воз- I
действие на морское дно и придонные воды приводит к изменению о
петрофизических и инженерно-геологических свойств, термического режима, геокриологического строения и, как следствие, опусканию уровня донной поверхности, нарушению сплошности пород, деградации мерзлоты и т.д.
К основным видам воздействия морского нефтегазодобывающего комплекса на окружающую среду относятся: физическое, химическое, биологическое, механическое. Суммарное воздействие носит комплексный характер и проявляется в форме физических, химических и биологических нарушений в водной толще морской среды, на дне и частично в атмосфере. Роль факторов и степень воздействия той или иной деятельности, последствия которой приводят к негативным изменениям качества окружающей среды, отличаются для разных объектов и различных этапов освоения морских нефтегазовых месторождений.
Экологические последствия при эксплуатации нефтегазодобывающих комплексов могут быть связаны с геокриологическим строением шельфа, ледовой обстановкой, характером прибрежной зоны, изменчивостью гидрологических и других условий. В период эксплуатации месторождений ледовая обстановка может стать причиной аварийных ситуаций на нефтегазодобывающих платформах. При транспортировке газа на большие расстояния может возникать неблагоприятное воздействие газопроводов на геологическую среду из-за снижения температуры газового потока до отрицательных значений. Это влечет за собой формирование криогенных процессов в грунтах, обмерзание газопроводов и иногда приводит к возникновению аварийных ситуаций.
Характер воздействия морского нефтегазодобывающего комплекса на окружающую среду свидетельствует о том, что:
- разработка и освоение морских нефтегазовых месторождений влияет на все структурно-функциональные образования, имеющие ранг морских экосистем, однако воздействие и вызванные им последствия при использовании наилучшей существующей технологии и безаварийной ситуации приводят к незначительному изменению качества окружающей среды, носят кратковременный характер и ограничены, как правило, точечным, локальным или местным масштабом;
технологии
Ноосфера, цивилизация, окружающая среда
- наиболее тяжелые последствия для морских экосистем связаны с разливами нефти при авариях крупных танкеров, разрывах трубопроводов и длительном открытом фонтанировании скважин;
- основной гарантией экологической безопасности является конструктивная, технологическая и эксплуатационная надежность производственных объектов нефтегазодобывающего комплекса и создание системы обеспечения экологической безопасности при освоении морских нефтегазовых месторождений [6].
Особо остро стоят вопросы экологической безопасности в процессе освоения углеводородных ресурсов в пределах арктического региона, где на данный момент отсутствуют эффективные методы для ликвидации возможных значительных (более 100 т) разливов нефти. Одним из вариантов предотвращения возможных разливов нефти могло бы стать введение временных мораториев на ее добычу в период сложных погодных условий [9].
Общим критерием для оценки использования открытых геологами богатств недр может быть КПД минеральных ресурсов в народном хозяйстве, представляющий собой отношение действительной пользы добытого из недр минерала или группы минералов к природному потенциалу данного минерального сырья. Оптимальное значение КПД должно быть близким к 100%. Однако из 26 различных минералов, добываемых ежегодно в среднем на одного человека, только 2% составляют полезный продукт, остальное - отходы, возвращаемые в естественный круговорот.
Одной из серьезнейших экологических проблем в российской нефтедобывающей промышленности остается нерациональное использование попутного нефтяного газа: его сжигание негативно сказывается на окружающей среде. В то же время невосполнимо уничтожается ценнейшее сырье для химической промышленности [Там же]. Значительные потери на начальном этапе ресурсного цикла происходят также при использовании твердого минерального сырья. Миллиарды тонн угля и руды погребены в заброшенных шахтах и рудниках. При шахтной разработке угля минимальные его потери составляют до четверти промышленных запасов, на некоторых шахтах в недрах остается около половины пригодных для добычи залежей [2].
Комплексное использование минеральных ресурсов месторождений в процессе их разработки в данный момент наиболее распространено на горнодобывающих предприятиях цветной металлургии, поскольку руды цветных металлов, как правило, сложны и многокомпонентны. При этом нередко ценность сопутствующих компонентов превышает ценность основных. Например, на Гайском месторождении суммарная ценность
попутно добываемых полезных ископаемых выше стоимости добываемой меди.
Возможности комплексного использования месторождений зависят от эффективности решения вопросов переработки полезных ископаемых. Полнота комплексного извлечения полезных ископаемых может быть увеличена во многих случаях при обогащении добываемой гор- |
ной массы. Организация и совершенствование процессов обогащения не и
только основных, но и сопутствующих компонентов, а также удаление из них вредных примесей - одно из основных условий, определяющих полное комплексное использование месторождений. В настоящее время при геологоразведочных и горно-эксплуатационных работах возможности использования безотходной технологии весьма ограниченны. При разработке месторождений полезных ископаемых количество выдаваемых на поверхность пустых пород можно снизить, оставив их в выработанном пространстве в качестве закладочного материала. Вскрышные породы размещают в выработанном пространстве карьеров, что позволяет эффективно сокращать площади нарушаемой поверхности. При этом отходы производства становятся своеобразным «заполнителем» полостей, образовавшихся на поверхности в результате проведения горных выработок. Значительную часть этих пород, выданных на поверхность, можно использовать как сырье для производства строительных материалов: щебня, песка, извести, кирпича и т.п. [2].
Российская Федерация располагает практически всеми видами минеральных ресурсов. Их рациональное и комплексное использование, а также охрана окружающей среды требуют принятия мер, из которых наиболее значимыми являются: дальнейшее совершенствование законодательства о недрах; проведение опережающего геологического изучения недр; использование современных технологий, обеспечивающих наиболее полное и комплексное извлечение из недр основных и попутных компонентов; предотвращение загрязнения недр и окружающей среды в процессе добычи полезных ископаемых; осуществление мероприятий по охране и восстановлению природной среды; проведение экологического мониторинга на всех стадиях поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых.
Библиографический список
1. Воробьев А.Е., Балыхин А.Е., Комащенко В.И. Национальная минеральносырьевая безопасность России: современные проблемы и перспективы. М.,
2007.
2. Горное дело и окружающая среда / С. В. Сластунов и др. М., 2001.
технологии
Ноосфера, цивилизация, окружающая среда
3. Горшков С.П. Концептуальные основы геоэкологии. Смоленск, 1998.
4. Государственный доклад «О состоянии и использовании минеральных ресурсов в Российской Федерации в 2009 году». М., 2010.
5. Донской С.Е. О мерах, принимаемых Правительством Российской Федерации, по развитию минерально-сырьевой базы в РФ и контролю за рациональным и комплексным освоением недр // Отечественная геология. 2009. № 4. С. 3-12.
6. Ефремкин Н.М., Холмянский М. А. Геоэкологическое сопровождение освоения нефтегазовых месторождений арктического шельфа. СПб., 2008.
7. Закон Российской Федерации «О недрах». 2-е изд. М., 2009.
8. Козловский Е.А. Минерально-сырьевые ресурсы России (анализ, прогноз, политика). М., 2004.
9. Марков Н. Перспективы морской кладовой // Нефть России. 2012. № 6. С. 52.
10. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М., 1990.
11. Тетельмин В.В., Язев В.А. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. Долгопрудный, 2011.
12. Трофимов В.Т., Харькина М.А., Григорьева И.Ю. Экологическая геодинамика. М., 2008.
13. Федеральный закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды». М., 2006.
