Учёные обнаружили неожиданную опасность, связанную с добычей полезных ископаемых на дне океана. Некоторые глубоководные породы способны самопроизвольно нагреваться и воспламеняться после подъёма на поверхность. Это выяснилось, когда два образца, доставленных с большой глубины, неожиданно загорелись во время лабораторных исследований.
Инцидент произошёл с породами, собранными в 2022 году Геологической службой США. После обработки образцов температура превысила 100 градусов Цельсия, а содержащиеся в них минералы полностью окислились. Исследователи предупреждают, что подобные реакции могут представлять серьёзную опасность при промышленной добыче глубоководных руд.
Особенно тревожным открытие делает то, что самонагревание таких пород ранее практически не изучалось. По словам авторов исследования, выделение тепла в результате химических реакций потенциально способно вызывать быстрое возникновение пожаров на судах, перевозящих добытые минералы.
Необычные образцы были получены во время экспедиции в глубоководную впадину Эсканаба, расположенную у границы американских штатов Орегон и Калифорния. Этот район находится в исключительной экономической зоне США и представляет интерес благодаря богатым месторождениям металлов.
Подводная гидротермальная активность привела к образованию здесь залежей, содержащих медь, цинк, железо и другие ценные элементы. Такие месторождения возникают в результате процессов, связанных с выходом нагретых подземных вод на океанское дно.
Экспедиция проводилась Геологической службой США совместно с Бюро управления океанскими энергетическими ресурсами и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований.
Используя дистанционно управляемый подводный аппарат, специалисты собрали 57 образцов гидротермальных пород в четырёх районах впадины. Основную часть многих образцов составляли сульфиды металлов — соединения, представляющие особый интерес для добывающей промышленности.
После доставки в лабораторию учёные подвергли породы сублимационной сушке, а затем измельчили их для дальнейшего анализа. Именно на этом этапе два образца неожиданно самовоспламенились.
Произошедшее заставило исследователей внимательнее изучить свойства минералов, которые в будущем могут добываться со дна океана в промышленных масштабах.
Сульфидные месторождения привлекают внимание прежде всего благодаря содержанию ценных металлов, включая золото, серебро, медь и цинк. Международный орган по морскому дну уже предоставил контракты на разведку сульфидных минералов в двух районах: на северной части Срединно-Атлантического хребта и Юго-Западном Индийском хребте.
Промышленная добыча в этих районах пока не началась, однако новое открытие указывает на необходимость учитывать опасности, которые прежде могли оставаться незамеченными.
Чтобы установить причину самовоспламенения, исследователи сравнили минералогический состав, химические свойства и поведение при нагревании образцов, собранных во впадине Эсканаба.
Первоначально одной из возможных причин считались органические вещества. В глубоководных районах с интенсивным накоплением осадков могут формироваться нефтеподобные соединения, связанные с гидротермальной активностью. Они способны скрываться внутри сульфидных пород, а после подъёма на поверхность при определённых условиях самопроизвольно нагреваться.
Однако анализ показал, что ни смолистые вещества, ни нефть, по-видимому, не были причиной наблюдавшейся реакции.
Вместо этого внимание учёных привлёк минерал марказит — одна из форм сульфида железа. Выяснилось, что самовоспламенившиеся образцы преимущественно состояли из нанокристаллического марказита.
Особенность этого вещества заключается в его нестабильности при контакте с кислородом. При определённых условиях минерал способен вступать в химическую реакцию окисления, сопровождающуюся выделением тепла.
Дополнительную роль играет механическое воздействие. Дробление, разрушение и измельчение породы могут обеспечить энергию, необходимую для запуска реакции. После её начала выделяющееся тепло способствует дальнейшему самонагреванию материала.
Именно такой механизм, по мнению исследователей, объясняет неожиданное поведение образцов в лаборатории.
При этом учёные подчёркивают, что присутствие марказита само по себе ещё не означает, что любая содержащая его порода обязательно представляет опасность. Значение имеют конкретные физические и химические свойства материала, а также условия, в которых он находится.
Главная проблема заключается в резком изменении окружающей среды после подъёма минералов с океанского дна.
На большой глубине породы находятся в совершенно иных условиях. Когда их извлекают на поверхность, они подвергаются воздействию кислорода, изменению температуры, давления и влажности. Все эти факторы могут влиять на скорость химических реакций и количество выделяемого тепла.
«Новое исследование показывает, что некоторые массивные сульфидные породы океанского дна обладают физическими и химическими свойствами, из-за которых их поведение может существенно отличаться от аналогичных месторождений, разрабатываемых на суше», — предупреждает Геологическая служба США.
Для будущей глубоководной добычи это имеет непосредственное практическое значение. Минералы необходимо не только извлечь со дна, но и безопасно поднять на поверхность, разместить на судах, транспортировать и переработать.
Если определённые разновидности пород способны выделять большое количество тепла при контакте с воздухом или механической обработке, такие свойства придётся учитывать при разработке правил безопасности.
Авторы исследования считают, что потенциальная опасность самонагревания сульфидных минералов заслуживает особого внимания, если промышленная разработка подобных месторождений всё же начнётся.
При этом возможные пожары — далеко не единственная проблема новой отрасли. Глубоководная добыча полезных ископаемых уже вызывает серьёзные опасения у экологов, поскольку промышленное вмешательство может нанести дополнительный ущерб уязвимым океанским экосистемам.
Теперь к экологическим рискам добавляется ещё один фактор: сами добываемые породы могут вести себя непредсказуемо после извлечения из привычной глубоководной среды.
Исследователи рассчитывают, что понимание химических процессов, приводящих к самовоспламенению, поможет заранее выявлять потенциально опасные минералы и разрабатывать необходимые меры предосторожности.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Scientific Reports.
