Table of Contents

Пустыни покрывают около трети поверхности Земли, но их часто списывают как безжизненные, пустынные просторы. На самом деле эти засушливые ландшафты скрывают некоторые из самых ценных и таинственных ресурсов планеты. Под дюнами и трещинами соляных ров лежат огромные запасы пресной воды и критически важных минералов, которые сформировали историю человечества, подпитывали промышленность и поддерживали уникальные экосистемы. Понимание того, как найти, извлечь и управлять этими скрытыми сокровищами, имеет важное значение, поскольку глобальный спрос на воду и сырье усиливается. В этой статье исследуются секреты пустынных вод и минеральных месторождений, технологии, которые их открывают, и тонкий баланс между эксплуатацией и сохранением.

Скрытая вода в пустынях

Вода в пустынях редко течет как реки или озера. Вместо этого она прячется в подземных водоносных горизонтах, всплывает в виде эфемерных источников после редких дождей или конденсируется от тумана на высоких высотах. Эти источники часто невидимы невооруженным глазом, но имеют решающее значение для жизни - как дикой, так и человеческой. Тайны пустынной воды включают древние запасы, современные методы обнаружения и инновационные методы сбора урожая, которые могут изменить водную безопасность в засушливых регионах.

Подземные водоносные горизонты: древние водохранилища

Наиболее значительная скрытая вода в пустынях находится в водоносных горизонтах — слоях пористых пород или осадочных пород, насыщенных грунтовыми водами. Некоторые из этих водоносных горизонтов являются ископаемыми водоносными горизонтами , которые содержат воду, которая была захвачена в течение тысяч и миллионов лет. Например, Нубийская система водоносных горизонтов из песчаника под Египтом, Ливией, Суданом и Чадом содержит примерно 150 000 кубических километров древней воды — больше, чем весь объем пресной воды в Великих озерах. В Соединенных Штатах Водоносный горизонт Огаллала под Высокими равнинами является еще одним ископаемым заповедником, который питал сельское хозяйство в течение десятилетий.

Ископаемые водоносные горизонты нелегко пополнить; они были сформированы в более влажные климатические периоды в прошлом. После извлечения им могут потребоваться тысячелетия, чтобы естественным образом перезарядиться. Это делает их невозобновляемым ресурсом в человеческих временных масштабах, требуя тщательного управления, чтобы избежать истощения. Ученые используют сейсмические исследования, гравитационные измерения и спутниковые радары для картирования степени и глубины этих водоносных горизонтов. Миссия НАСА, например, отслеживала изменения грунтовых вод по всей Сахаре и Аравийскому полуострову, выявляя тревожные темпы добычи.

Палеоканалы и подземные реки

Во многих пустынных ландшафтах древние русла рек — так называемые палеоканалы — погребены под слоями песка и скалы. Эти каналы когда-то перевозили проточной водой в более влажные эпохи и теперь выступают в качестве каналов для хранения подземных вод. Используя проникающий в землю радар и стратиграфическое бурение, гидрологи могут найти эти закопанные речные системы. В Аравийской пустыне палеоканалы были обнаружены под Пустой четвертью (Руб аль-Хали), содержащим миллиарды кубометров пресной воды, оставшейся от последнего ледникового периода. Нарезка этих запасов может обеспечить питьевую воду для таких городов, как Эр-Рияд и Дубай, но темпы добычи должны быть ограничены для предотвращения проникновения соленой воды и оседания земли.

Оригинальное название: Fog Harvesting: Capturing the Invisible

Не вся скрытая вода лежит под землей. В прибрежных пустынях, таких как Атакама в Чили и Намиб в Намибии, туман впадает из океана и обеспечивает надежный источник влаги. Уборка тумана использует тонкие сетчатые сети для захвата капель воды, которые затем капают в сборные впадины. Эти простые, низкотехнологичные системы могут давать сотни литров в день и используются для дополнения питьевой воды для отдаленных общин. Пустыня Атакама получает менее 1 мм осадков в год, но противотуманные сети в прибрежных оазисах тумана (ломах) региона могут захватывать более 5 литров на квадратный метр в день во время пиковых сезонов тумана.

Современный сбор тумана сочетает в себе традиционные материалы с нанотехнологиями. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали гидрофильно-гидрофобные сетки, которые повышают эффективность сбора до 300%. Такие инновации могут сделать сбор тумана масштабируемым решением для прибрежных городов с дефицитом воды во всем мире.

Опреснение: превращение соленой воды в свежую

Многие пустыни примыкают к океанам, что делает опреснение морской воды все более жизнеспособным вариантом. Опреснительные установки, работающие на солнечной энергии, могут производить пресную воду из моря, минуя зависимость от сокращающихся водоносных горизонтов. Ближний Восток, особенно Саудовская Аравия и ОАЭ, лидирует в мире по мощности опреснения. Однако обычные установки обратного осмоса потребляют значительную энергию и производят рассол, который может нанести вред морским экосистемам. Новые технологии передней осмоса и мембранной дистилляции в сочетании с концентрированной солнечной энергией направлены на снижение затрат и воздействия на окружающую среду. Al Khafji Solar Saline Water Reverse Osmosis (SWRO) в Саудовской Аравии является крупнейшим в мире заводом по опреснению солнечной воды , производящим 60 000 кубических метров воды в день с нулевыми выбросами углерода во время работы.

Устойчивое управление подземными водами

Учитывая конечную природу ископаемых вод, устойчивое управление имеет первостепенное значение. Чрезмерная добыча может привести к оседания земли (потопление почвы), проникновению соленой воды в прибрежные районы и необратимому повреждению экосистем, зависящих от подземных вод. Штат Калифорния, который в значительной степени полагается на грунтовые воды в своих пустынных регионах (например, Mojave), принял Закон об устойчивом управлении подземными водами (SGMA) для регулирования перекачки. В Сахаре трансграничные соглашения, такие как регулирующие Нубийскую систему водоносных горизонтов, способствуют совместному мониторингу и пределам добычи. Такие технологии, как интеллектуальные датчики орошения и мониторинг водоносных горизонтов в реальном времени помогает фермерам использовать воду более эффективно, сокращая отходы и продлевая жизнь водоносного горизонта.

Минеральные заповедники в пустынных землях

Пустыни являются одними из самых богатых минеральных провинций на Земле. Их геологическая история, отмеченная вулканической активностью, тектоническим подъемом и длительной эрозией, сконцентрировала ценные металлы и промышленные минералы. От меди чилийской Атакамы до урана намибской Намибской пустынной минеральной залежи питают глобальную промышленность. Тем не менее, добыча этих ресурсов в масштабе ставит экологические проблемы, требующие инновационных решений.

Основные минеральные товары найдены в пустынях

Пустынные регионы содержат разнообразный набор минералов, каждый из которых имеет различные процессы формирования и экономическое значение.

  • Медь: В пустыне Атакама находятся крупнейшие в мире запасы меди, включая рудник Эскондида. Обогащение супергеном — концентрация меди через выщелачивание и перемещение — происходит в засушливом климате с минимальной растительностью.
  • Литий: Богатые солями соли (салаты) в Литиевом треугольнике Чили, Аргентины и Боливии содержат подавляющее большинство мировых запасов лития. Литий извлекается путем перекачки рассола из-под соленой коры и испарения его в прудах.
  • Золото: пустынные районы в Неваде (США), Западной Австралии и Аравийском щите являются основными производителями золота. Эпитермальные месторождения образуются в вулканических дугах, где горячие, богатые минералами жидкости поднимаются и откладывают золото вблизи поверхности.
  • Железная руда: Sishen и Kolomela шахты в Южной Африке в Северном мысе (полупустынный регион) производят высококачественный гематит для сталеплавильного производства.
  • Уран: Намибская Рёссинг шахта, самая длинная в мире урановая шахта открытого типа, работает в пустыне Намиб.
  • Солт и эвапориты: пустыни, подобные Данакильской депрессии в Эфиопии, производят огромное количество галитовой (столовой соли), калийной (используемой в удобрениях) и гипса. Они образуются, когда древние моря испаряются в течение миллионов лет.
  • Редкие элементы Земли (REEs): Горный перевал шахта в пустыне Мохаве (Калифорния) является одним из крупнейших производителей REE за пределами Китая.

Методы добычи полезных ископаемых в экстремальных условиях

Добыча в пустыне представляет собой уникальные проблемы - экстремальное тепло, пыль, нехватка воды и удаленная логистика. Добыча в открытых шахтах распространена для мелких месторождений, в то время как подземная блоковая пещера работает для более глубоких руд. Вода является критическим ресурсом для переработки руд; в пустынях шахты часто используют методы сухой обработки или перерабатывают воду через управление хвостохранилищами. Например, шахта Escondida в Чили перерабатывает более 90% своей технологической воды и построила опреснительную установку на побережье, чтобы избежать истощения местных водоносных горизонтов.

Автономные грузовые автомобили и беспилотные летательные аппараты все чаще используются для снижения воздействия человека на суровые условия. В австралийских глубинных шахтах Rio Tinto (FLT: 1) работают беспилотные грузовики и поезда, управляемые удаленно из операционных центров за тысячи километров. Такая автоматизация повышает безопасность и эффективность, но требует больших инвестиций.

Экологические последствия добычи полезных ископаемых в пустыне

Добыча полезных ископаемых в хрупких экосистемах пустыни может нанести долговременный ущерб. Очистка земель, образование пыли и химические разливы (например, цианид при переработке золота) могут загрязнить почву и воду. Шахта Ок-Теди в Папуа-Новой Гвинее, хотя и не строго пустынная, иллюстрирует катастрофические последствия добычи в засушливых / полузасушливых регионах. В пустынях растительность восстанавливается медленно, а пустынный лак (темная патина на скалах) может занять столетия, чтобы восстановиться после возмущения.

Еще одна проблема - конкуренция за воду . Шахты часто потребляют большие объемы воды в регионах, где вода уже дефицитна. В Атакаме добыча лития откачивает рассол из соляных плоскостей, что снижает уровень грунтовых вод и угрожает местам обитания фламинго, которые зависят от мелководных солевых лагун. Исследователи из Чилинского университета обнаружили, что добыча лития в Салар-де-Атакама сократила приток пресной воды в систему гиперсолина до 30%.

Для смягчения последствий горнодобывающие компании принимают оценки воздействия на окружающую среду (EIA) , мониторинг плотин хвостохранилищ и планы реабилитации . В Западной Австралии Голдфилдс, такие компании, как Ньюмонт используют семенные банки верхнего слоя почвы и родные питомники растений для восстановления добытых районов — процесс, который может занять десятилетия.

Экономическое значение и глобальная геополитика

Недра пустыни являются стратегическими активами. Доходы Чили от меди поддерживают большую часть ее экономики; страна поставляет около 28% мировой меди. Литий из Литиевого треугольника имеет решающее значение для глобального энергетического перехода - цены на карбонат лития аккумуляторного класса выросли более чем на 400% в период с 2020 по 2022 год, что подпитывает спешку с разработкой новых операций по рассолу. Однако геополитическая напряженность может возникнуть: огромные запасы лития в Боливии (более 21 миллиона тонн) остаются в значительной степени неиспользованными из-за политической нестабильности и стремления к государственному контролю.

Редкие элементы земли стали точкой вспышки между США и Китаем. Открытие рудника Mountain Pass в собственности США (MP Materials) направлено на снижение зависимости от китайской переработки REE. Дезертные месторождения в Саудовской Аравии и ОАЭ также изучаются на предмет их потенциала REE в рамках планов диверсификации Vision 2030.

Инновации в добыче и обработке

Новые технологии трансформируют добычу в пустыне. Прямая добыча лития (DLE) с использованием адсорбирующих материалов может восстанавливать литий из рассола без больших прудов для испарения, снижая потребление воды и площадь земли. Такие компании, как Lilac Solutions и Standard Lithium пилотируют проекты DLE в США и Аргентине.bioleaching использует бактерии для извлечения меди из низкосортных руд, что хорошо подходит для сухих условий Атакамы.

Солнечная энергия питает многие горнодобывающие предприятия. BHP Шахта Эскондида в настоящее время использует солнечные фотоэлектрические панели для удовлетворения части своих потребностей в электроэнергии, сокращения выбросов углерода и сокращения потребления дизельного топлива. Аналогично, принадлежащий компании Джина Райнхарт , принадлежащий Roy Hill, в Западной Австралии использует солнечную ферму мощностью 34 МВт и аккумуляторные батареи для снижения своей зависимости от дизельных генераторов.

Проблемы и возможности развития ресурсов пустыни

Разработка скрытых запасов воды и полезных ископаемых в пустынях чревата препятствиями, но также открывает двери для инноваций. Взаимодействие между добычей ресурсов и управлением окружающей средой имеет решающее значение для долгосрочной устойчивости.

Экстремальные условия и инфраструктура

Температура в пустынях может превышать 50°C (122°F), что делает опасным наружный труд. Оборудование ухудшается быстрее из-за истирания песка и тепловых колебаний. Удалённые места требуют дорогостоящего транспорта: строительство дорог, трубопроводов и линий электропередач на сотнях километров пустой местности может удвоить затраты на проект. Тем не менее, эти проблемы также являются возможностями для модульных решений , , не связанных с сетью . Переносные блоки обратного осмоса для воды, контейнерные солнечные фермы и небольшие модульные реакторы (SMR) для ядерной энергии изучаются для удаленных шахтных участков.

Водно-энергетический Nexus

В пустынях вода и энергия тесно связаны. Накачка грунтовых вод требует энергии; производство энергии (через тепловые электростанции) требует воды. Связанные опреснение и солнечные фермы могут разорвать этот цикл, используя солнечный свет для опреснения морской воды, производя как пресную воду, так и электричество. Нур Мидельт Солнечный комплекс в Марокко интегрирует эту концепцию, хотя он лежит на краю Сахары. Сухое охлаждение для электростанций и прямое использование геотермальных для переработки полезных ископаемых может снизить спрос на воду.

Экологическая справедливость и права коренных народов

Во многих пустынных регионах проживают коренные общины, которые жили устойчиво в течение тысячелетий. Калахари Сан в Ботсване и Анангу в Австралии имеют глубокие духовные и культурные связи со своими землями. Масштабные проекты добычи полезных ископаемых (например, предлагаемый Рид Риф Урановый рудник вблизи Улуру) оспариваются на основе защиты наследия. Международные финансовые учреждения все чаще требуют свободного, предварительного и информированного согласия (FPIC) до того, как проекты будут продолжены. В чилийской Атакаме люди Атакаменьо подали судебные иски против операций по производству лития, которые влияют на священные соляные плантации. Сбалансировка экономического развития с сохранением культуры остается постоянной проблемой.

Изменение климата и опустынивание

Глобальное потепление расширяет пустыни и усиливает засушливость. Феномен пыльной чаши может стать более распространенным, с увеличением песчаных и пыльных бурь, влияющих как на добычу полезных ископаемых, так и на местное здоровье. И наоборот, таяние ледников в горных хребтах, таких как Анды, обеспечивает временный толчок потоку рек в пустынные бассейны, но этот буфер будет снижаться в течение десятилетий. В долгосрочной перспективе лесонасаждение и сбор воды может помочь обратить вспять опустынивание вокруг населенных пунктов, как видно в проекте Китая Великая зеленая стена вдоль пустыни Гоби.

Технологический рывок

Пустыни предлагают среду с пустынным листом для тестирования технологий следующего поколения. Опреснение на солнечной энергии , автономное горное дело , улавливание и хранение углерода (CCS) в соляных водоносных горизонтах и космическое дистанционное зондирование — все это продвигается в засушливых зонах. Например, Катарский институт исследований окружающей среды и энергетики (QEERI) эксплуатирует испытательный стенд для опреснения солнечной энергии в пустыне. Эти инновации могут быть позже экспортированы в другие регионы, что делает разработку ресурсов пустыни движущей силой глобального технологического прогресса.

Будущий прогноз: баланс между добычей и устойчивостью

Будущее пустынных ресурсов будет определяться изобретательностью человека и растущим осознанием экологических ограничений. По мере перехода мира к возобновляемым источникам энергии и электрификации спрос на пустынные минералы, такие как литий, медь и редкоземельные металлы, будет стремительно расти. В то же время дефицит воды вынудит новые подходы к повторному использованию и эффективности. Комплексное планирование — обработка воды, минералов и энергии в качестве единой системы — предлагает путь вперед. Рамочная программа управления пустынными ресурсами , предложенная Университетом Организации Объединенных Наций, выступает за трансграничное сотрудничество, принципы круговой экономики и участие общин.

Новые концепции включают в себя подземную гидропонику для производства продуктов питания с использованием воды из водоносного горизонта, опреснение солнечной теплицы , которая захватывает как пресноводные, так и испарительные минералы, и космическое исследование воды (аналогии пустынных водоносных горизонтов на Земле информируют о дизайне миссии Марса). Обсерватория Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) в то время как в основном астрономический объект, также изучает атмосферу пустыни для улучшения алгоритмов обнаружения воды — показывая, как, казалось бы, несвязанные науки могут принести пользу разведке ресурсов.

Возможно, величайшей загадкой остается полная протяженность пустынных ресурсов. Огромные районы Сахары, Гоби и Пустой квартал не были тщательно отображены современными геофизическими исследованиями. Низколетающие беспилотники, оснащенные гиперспектральными датчиками и Машинное обучение теперь могут анализировать поверхностные минеральные сигнатуры быстрее, чем когда-либо прежде. В следующем десятилетии мы можем обнаружить водоносные горизонты, превышающие Каспийское море или месторождения полезных ископаемых, которые могут обеспечить вековой промышленный спрос. Ключом будет разблокировать эти сокровища, не разрушая хрупкую красоту пустынь мира.

Для дальнейшего чтения по управлению подземными водами в пустыне см. обзор USGS Groundwater Science. Обзор добычи лития в соляных плоскостях подробно описан в National Geographic в докладе Atacama. Экономика добычи в пустыне изучается в докладе Всемирного банка добывающих отраслей . Наконец, Конвенция Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием предлагает глобальную перспективу по деградации земель и использованию ресурсов в UNCCD.

Охватывая устойчивые методы и технологические инновации, человечество может продолжать использовать скрытое богатство пустынь, сохраняя эти необычные ландшафты для будущих поколений.