Почти все материалы Земли используются людьми для чего-то. Нам требуются металлы для изготовления машин, песок и гравий для строительства дорог и зданий, кремний для изготовления компьютерных микросхем, известняк и гипс для изготовления бетона, глины для изготовления керамики, золото, серебро, медь и алюминий для изготовления электрических цепей, а также алмазы и корунды для абразивов и ювелирных изделий.
В этой статье мы надеемся ответить на следующие вопросы:
- Что называют минеральным ресурсом и рудой?
- Что определяет экономичность эксплуатации минеральных источников?
- Какими процессами образуются руды?
- Как находят и эксплуатируют минеральные ресурсы?
- Что происходит, когда минеральные ресурсы становятся дефицитными в результате потребления человеком?
- Каковы неблагоприятные последствия эксплуатации минеральных ресурсов.
Виды минеральных ресурсов
Минеральные ресурсы можно разделить на две основные категории - металлические и неметаллические. Металлические ресурсы - это золото, серебро, олово, медь, свинец, цинк, железо, никель, хром и алюминий. Неметаллические ресурсы - это такие вещи, как песок, гравий, гипс, галит, уран и т.д.
Минеральные ресурсы являются объемом породы, обогащенной одним или несколькими полезными минералами. Здесь слово «минерал» может означать любое вещество, которое есть на нашей планете.
Поиск и разработка минеральных ресурсов требует применения принципов геологии. Некоторые минералы используются по мере их нахождения в земле, как есть. То есть, они не требуют дальнейшей обработки или же требуют очень незначительной обработки. Например - драгоценные камни, песок, гравий и соль. Их можно использовать либо сразу после добычи, либо после небольшой обработки.
Однако большинство минералов перед использованием необходимо обработать. Например:
- Железо содержится в изобилии в минералах, но процесс извлечения железа из разных минералов различается по стоимости в зависимости от минерала. Наименее затратное извлечение железа из оксидных минералов, таких как гематит (Fe2 O3 ), магнетит (Fe3 O4 ) или лимонит [Fe(OH)]. Хотя железо также присутствует в оливинах, пироксенах, амфиболах и биотите, концентрация железа в этих минералах меньше, а затраты на извлечение увеличиваются, поскольку прочные связи между железом, кремнием и кислородом должны быть разорваны.
- Алюминий - третий по содержанию металл в земной коре. Он встречается в наиболее распространенных минералах земной коры - полевых шпатах (NaAlSi3 O8 , KalSi3 O8 и CaAl2 Si2 O8 , но затраты на извлечение алюминия из этих минералов высоки. Таким образом, человечество предпочитает использовать месторождения с минеральным гиббситом [Al(OH) 3]. Это объясняет, почему переработка алюминиевых банок является рентабельной, ведь алюминий в банках не нужно отделять от кислорода или кремния. Это значительно дешевле добычи, даже если за банку платят какие-то деньги.
Поскольку такие вещи, как затраты на добычу, трудозатраты на все процессы и затраты на энергию, меняются со временем и от страны к стране, то, что составляет экономически жизнеспособное месторождение полезных ископаемых, значительно варьируется во времени и месте. Говоря простыми словами, стоимость добычи минеральных ресурсов не является постоянной даже в один момент времени.
В целом, чем выше концентрация вещества, тем экономичнее его добывать. Таким образом, мы определяем руду как массу материала, из которого можно экономично извлечь одно или несколько ценных веществ. Рудное месторождение будет состоять из рудных минералов, содержащих ценное вещество.
Поскольку экономичность - это то, что контролирует сорт или концентрацию вещества в месторождении, что делает месторождение прибыльным для добычи, разные вещества требуют разных концентраций, чтобы быть прибыльными. Но концентрация, которую можно добыть с экономической точки зрения, изменяется из-за экономических условий, таких как спрос на вещество и стоимость добычи. В принципе, тут за примерами далеко ходить не нужно, про сланцевую нефть слышали все. В один момент времени ее выгодно добывать, когда цены на нефть падают, ее добыча становится нерентабельной.
Тем не менее, вот еще примеры:
- Концентрация меди в месторождениях медной руды на протяжении истории менялась. С 1880 по 1960 год содержание медной руды стабильно снижалось с 3% до менее 1%, в основном из-за повышения эффективности добычи. Примерно с 1960 по 1980 год этот показатель повысился выше 1% из-за увеличения стоимости энергии и экономической целесообразности из-за более дешевой рабочей силой в некоторых странах.
- Цены на золото меняются ежедневно. Когда цены на золото высоки, старые заброшенные рудники снова открываются, когда цена падает, золотые рудники закрываются. Стоимость рабочей силы в США в настоящее время настолько высока, что немногие золотые прииски могут работать с прибылью, но в странах третьего мира, где затраты на рабочую силу ниже, золотые прииски с концентрацией руды намного ниже, чем в США, могут работать с прибылью.
Концентрация минеральных ресурсов
Для каждого вещества мы можем определить концентрацию, необходимую в месторождении полезных ископаемых для рентабельной добычи. Разделив эту экономичную концентрацию на среднее содержание этого вещества в коре, мы можем определить значение, называемое коэффициентом концентрации.
Например, Al, который имеет среднее содержание в земной коре 8%, имеет коэффициент концентрации от 3 до 4. Это означает, что экономичное месторождение алюминия должно содержать в 3-4 раза больше среднего содержания в земной коре, то есть от 24 до 32% алюминия, чтобы быть добыча была целесообразной с экономической точки зрения.
Обратите внимание, что у нас вряд ли когда-нибудь закончится полезное вещество, поскольку мы всегда можем найти залежи любого вещества с более низкими концентрациями, чем это экономически целесообразно в настоящее время. Если предложение экономичных в настоящее время месторождений сократится, цена вырастет, а коэффициент концентрации увеличится.
Происхождение минеральных ресурсов
Минеральные месторождения можно классифицировать по механизму концентрирования ценного вещества.
Месторождения магматических руд
Месторождения магматических руд - вещества концентрируются в теле магматической породы в результате магматических процессов, таких как фракционирование кристаллов и осаждение кристаллов.
Магматический процесс, такой как частичное плавление, фракционирование кристаллов или осаждение кристаллов в магматической камере, может концентрировать рудные минералы, содержащие ценные вещества, путем взятия элементов, которые когда-то были широко рассредоточены в низких концентрациях в магме, и концентрирования их в минералах, которые отделяются от магмы.
Например, это пегматиты - во время фракционной кристаллизации вода и элементы, которые не попадают в минералы, отделенные от магмы в результате кристаллизации, останутся последним остатком исходной магмы. Этот остаток богат кремнеземом и водой, а также такими элементами, как редкоземельные элементы (многие из которых важны для изготовления люминофоров в кинескопах цветного телевидения), литий, тантал, ниобий, бор, бериллий, золото и уран. Этот остаток часто закачивается в трещины, окружающие вулканическую интрузию, и кристаллизуется в виде породы, называемой пегматитом, которая обычно состоит из крупных кристаллов.
Гидротермальные рудные месторождения
Гидротермальные рудные месторождения - концентрация горячих водных (богатыми водой) флюидов, протекающих через трещины и поровые пространства в породах.
Гидротермальные отложения образуются, когда грунтовые воды циркулируют с поверхности на глубину и нагреваются, либо приближаясь к горячему магматическому телу на глубине, либо циркулируя на большую глубину по геотермальному градиенту. Такая горячая вода способна растворять ценные вещества в большом объеме породы.
По мере продвижения горячей воды к более холодным участкам корки растворенные вещества осаждаются из раствора горячей воды. Если охлаждение происходит быстро, например, в открытых трещинах или при достижении массы холодной поверхностной воды, то осадки будут происходить на ограниченной площади, в результате чего концентрация вещества достигнет более высокого значения, чем первоначально присутствовала в скалы, через которые проходила вода.
Примеры:
- Массивные сульфидные месторождения в центрах океанического спрединга. Горячие жидкости, циркулирующие над магматическими очагами на океанских хребтах, могут поглощать такие элементы, как сера, медь и цинк, из горных пород, через которые они проходят. Когда эти горячие жидкости мигрируют обратно к морскому дну, они вступают в контакт с холодными грунтовыми водами или морской водой и внезапно осаждают эти металлы в виде сульфидных минералов, таких как сфалерит (сульфид цинка) и халькопирит (медь, сульфид железа).
- Жильные отложения, окружающие магматические интрузии. Горячая вода, циркулирующая вокруг вулканических интрузий, поглощает металлы и кремнезем как из интрузий, так и из окружающей породы. Когда эти флюиды закачиваются в открытые трещины, они быстро охлаждаются и осаждают в основном кварц, но также и различные сульфидные минералы, а иногда и золото и серебро в прожилках кварца. В результате появляются богатые месторождения меди, цинка, свинца, золота, серебра, олова, ртути и молибдена.
- Слоистые залежи руды в озерных или океанических отложениях. Когда горячие грунтовые воды, содержащие ценные металлы, уносимые по пути их потоков, попадают в рыхлые отложения на дне озера или океана, они могут осаждать рудные минералы в поровых пространствах между зернами осадка. Такие минералы могут содержать высокие концентрации свинца, цинка и меди, обычно в сульфидных минералах, таких как галенит (сульфид свинца), сфалерит (сульфид цинка) и халькопирит (сульфид меди-железа). Поскольку они включены в осадочные толщи, их называют слоистыми месторождениями полезных ископаемых.
Осадочные рудные месторождения
Осадочные рудные месторождения - вещества концентрируются за счет химического осаждения из озерной или морской воды.
Хотя осадочные процессы могут образовывать минеральные отложения, термин «осадочные минеральные отложения» ограничивается химическим осаждением, когда минералы, содержащие ценные вещества, осаждаются непосредственно из воды.
Примеры:
- Отложения эвапорита - Испарение озерной или морской воды приводит к потере воды и приводит к повышению концентрации растворенных веществ в оставшейся воде. Когда вода насыщается таким растворенным веществом, они выпадают в осадок из воды. В результате этого процесса образуются отложения галита (поваренная соль), гипса (используется в гипсе и стеновых панелях), буры (используется в мыле) и сильвита (хлорида калия, из которого извлекается калий для использования в удобрениях).
- Железные образования - эти месторождения состоят из богатого железом кремня и ряда других железосодержащих минералов, которые откладывались в бассейнах континентальной коры в течение протерозоя (2 миллиарда лет и старше). Похоже, что это отложения эвапоритового типа, но если это так, то состав морской воды, должно быть, сильно отличался от сегодняшнего.
Месторождения россыпных руд
Месторождения россыпных руд - вещества концентрируются в поверхностных водах в ручьях или вдоль береговых линий.
Скорость текущей воды определяет, переносятся ли минералы во взвешенном состоянии или остаются в виде отложений. Когда скорость воды замедляется, откладываются крупные минералы или минералы с более высокой плотностью. Тяжелые минералы, такие как золото, алмаз и магнетит, того же размера, что и минералы с низкой плотностью, такие как кварц, будут откладываться с более высокой скоростью, чем кварц, поэтому тяжелые минералы будут концентрироваться в областях, где скорость течения воды низкая. Это происходит благодаря силе тяжести.
Образовавшиеся таким образом месторождения полезных ископаемых называют россыпными месторождениями. Они возникают в любой области с низкой скоростью течения, например, в отложениях точечных стержней, между отметками волн, за затопленными стержнями или в отверстиях на дне ручья. Калифорнийская золотая лихорадка в 1849 году началась, когда кто-то обнаружил богатые россыпные месторождения золота в ручьях, текущих с горы Сьерра-Невада. Изначально золото образовывалось в гидротермальных жилах, но оно было вымыто из жил и унесено потоками, где оно откладывалось в россыпных отложениях.
Остаточные рудные месторождения
Остаточные рудные месторождения - вещества концентрируются в результате процессов химического выветривания.
Во время химического выветривания исходное тело породы значительно уменьшается в объеме в результате процесса выщелачивания, который удаляет ионы из исходной породы. Таким образом, элементы, которые не выщелачиваются из породы, встречаются в остаточной породе в более высокой концентрации. Самая важная алюминиевая руда, боксит, образуется в тропическом климате, где высокие температуры и большой расход воды во время химического выветривания создают сильно выщелоченные латеритные почвы, богатые как железом, так и алюминием.
Большинство месторождений бокситов относительно молоды, потому что они образуются у поверхности Земли и легко удаляются эрозией, действующей в течение длительных периодов времени. Кроме того, существующее месторождение полезных ископаемых можно превратить в месторождение минералов с более высокой концентрацией путем выветривания в процессе, называемом вторичным обогащением.
Разведка и добыча полезных ископаемых
Руды расположены по признакам обогащения металлов. Геологи ищут намеки в горных породах, обнаженных у поверхности, например, процесс обогащения часто приводит к обесцвечиванию почвы и породы. Когда такие подсказки обнаруживаются, проводятся геофизические исследования с измерением силы тяжести, магнетизма или радиоактивности. Проводятся геохимические исследования, в ходе которых анализируется состав воды, отложений, почвы, горных пород, а иногда даже растений и деревьев.
После того, как определено, что может присутствовать ценный материал, месторождение оценивается путем проведения колонкового бурения для сбора подземных проб с последующим химическим анализом проб для определения содержания руды.
Если рудное тело находится в пределах 100 метров от поверхности, для извлечения руды перед переработкой используются карьеры, большие выемки, открытые для воздуха. Карьеры менее дороги и менее опасны, чем туннельные, хотя и оставляют большие шрамы на поверхности земли. Если рудное тело более глубокое или узко рассредоточенное в нерудных породах, необходимо прокладывать туннели для извлечения руды из подземных выработок.
Штольни шахты связаны с вертикальным стволом. Руды удаляются со стенок туннелей буровзрывными работами, а добытые руды поднимаются на поверхность после обработки. Подземные шахты и более дороги и опасны, чем открытые карьеры, и по-прежнему оставляют неприятные последствия на окружающем ландшафте, поскольку нерудные породы выбрасываются как ненужные.
Мировые потребности в минералах
Поскольку процессы, которые образуют руды, происходят в геологических временных масштабах, наиболее рентабельные минеральные ресурсы по существу невозобновимы. Новые месторождения не могут быть созданы в человеческих временных масштабах. Но, как упоминалось ранее, по мере того, как запасы материалов истощаются, можно найти другие источники, использование которых обходится дороже. Кроме того, минеральные ресурсы распределены неравномерно.
На сколько хватит имеющихся минеральных ресурсов, зависит от норм потребления и объемов запасов. Некоторые минеральные ресурсы скоро закончатся, например, глобальные ресурсы Pb, Znи Auвероятно, закончатся примерно через 30 лет. Таким образом, дальнейшее использование дефицитных полезных ископаемых потребует открытия новых источников, увеличения цены, чтобы сделать труднодоступные источники более прибыльными, повышения эффективности, сохранения или переработки, замены новых материалов или отказа от них.
Экологические проблемы добычи минеральных ресурсов
Добыча и переработка имеют большое воздействие на окружающую среду с точки зрения таких вещей, как качество воздуха, качество поверхностных вод, качество грунтовых вод, почвы, растительность и эстетика. Кислотный дренаж шахт является одним из примеров. Сульфидные минералы, недавно подвергшиеся воздействию кислорода и воды у поверхности, создают серную кислоту. Дождевая вода, попадающая на хвосты шахты, подкисляется и может создавать токсичные условия в стоках. Это может мобилизовать потенциально опасные тяжелые металлы и убить организмы в ручьях, сливающих хвосты.
