1.10: Мінерали

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6472

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

ВСТУП

Земна кора складається з безлічі видів гірських порід, кожна з яких являє собою сукупність одного або декількох мінералів. У геології термін мінерал описує будь-яке природне тверде речовина зі специфічним складом і кристалічною структурою. Склад мінералу відноситься до видів і пропорцій елементів, що входять до складу мінералу. Те, як ці елементи упаковуються воєдино, визначає структуру мінералу. Виявлено понад 3500 різних мінералів. Всього 12 загальних елементів (кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, магній, натрій, калій, титан, водень, марганець, фосфор), які зустрічаються в земній корі. Вони мають достаток 0,1 відсотка і більше. Всі інші природні елементи знаходяться в дуже незначних або слідових кількостях.

Кремній і кисень є найбільш поширеними елементами земної кори, разом складають більше 70 відсотків за вагою. Тому не дивно, що найпоширенішими мінералами кори є силікати (наприклад, олівін, Mg2SiO4), за якими слідують оксиди (наприклад, гематит, Fe2O3).

Інші важливі типи мінералів включають: карбонати (наприклад, кальцит, CaCO3) сульфіди (наприклад, галена, PbS) та сульфати (наприклад, ангідрит, CaSO4). Більшість багатих мінералів в земній корі не мають комерційної цінності. Економічно цінні корисні копалини (металеві та неметалеві), які забезпечують сировину для промисловості, як правило, рідкісні та важко знайти. Тому необхідні чималі зусилля і вправність, щоб знайти, де вони відбуваються, і витягти їх в достатній кількості.

ЕКОНОМІЧНА ЦІННІСТЬ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Корисні копалини, які мають економічну цінність, можна класифікувати як металеві або неметалеві. Металеві мінерали - це ті, з яких цінні метали (наприклад, залізо, мідь) можуть бути видобуті для комерційного використання. Метали, які вважаються геохімічно рясними, зустрічаються при кількості земної кори 0,1 відсотка або більше (наприклад, залізо, алюміній, марганець, магній, титан). Метали, які вважаються геохімічно дефіцитними, зустрічаються при кількості земної кори менше 0,1 відсотка (наприклад, нікель, мідь, цинк, платинові метали). Деякі важливі металеві мінерали: гематит (джерело заліза), боксит (джерело алюмінію), сфалерит (джерело цинку) і галена (джерело свинцю). Металеві мінерали іноді, але рідко зустрічаються як єдиний елемент (наприклад, рідне золото або мідь).

Неметалічні мінерали цінні не для металів, які вони містять, а своїми властивостями як хімічні сполуки. Оскільки вони зазвичай використовуються в промисловості, їх також часто називають промисловими мінералами. Вони класифікуються відповідно до їх використання. Деякі промислові мінерали використовуються як джерела важливих хімічних речовин (наприклад, галіт для хлориду натрію і бура для боратів). Деякі використовуються для будівельних матеріалів (наприклад, гіпс для штукатурки та каолін для цегли). Інші використовуються для внесення добрив (наприклад, апатит для фосфату та сильвіт для калію). Треті використовуються як абразиви (наприклад, алмаз і корунд).

РОДОВИЩА КОРИСНИХ КОПАЛИН

Мінерали всюди навколо нас. Наприклад, за оцінками, океан містить понад 70 мільйонів тонн золота. Тим не менш, відновити це золото було б занадто дорого через його дуже низьку концентрацію у воді. Корисні копалини повинні бути сконцентровані в родовищах, щоб зробити їх збір економічно доцільним. Родовище корисних копалин, що містить один або кілька корисних копалин, які можна вигідно видобувати, називається рудою. Багато мінералів зазвичай зустрічаються разом (наприклад, кварц і золото; молібден, олово і вольфрам; мідь, свинець і цинк; платина і паладій). Оскільки різні геологічні процеси можуть створювати локальні збагачення корисних копалин, родовища корисних копалин можна класифікувати відповідно до процесу концентрації, який їх сформував. П'ять основних типів родовищ корисних копалин: гідротермальні, магматичні, осадові, розсипні і залишкові.

Гідротермальні родовища корисних копалин утворюються при осадженні мінералів гарячими водними розчинами, що протікають через тріщини і порові простори земної кори. Багато відомих рудних тіл стали наслідком гідротермального осадження, включаючи олов'яні шахти в Корнуоллі, Англія та мідні шахти в Арізоні та Юті. Магматичні родовища корисних копалин утворюються, коли в процесі плавлення і охолодження гірських порід відбуваються такі процеси, як часткове плавлення і фракційна кристалізація. Пегматитові породи, утворені в результаті фракційної кристалізації, можуть містити високі концентрації літію, берилію і цезію. Шари хроміту (хромової руди) також утворилися магматичними процесами в знаменитому Бушвельдському магматичному комплексі в Південній Африці.

Кілька процесів концентрації мінеральних речовин включають осідання або вивітрювання. Водорозчинні солі можуть утворювати осадові мінеральні відкладення, коли вони випадають в осад при випаровуванні озерної або морської води (випаровуються відкладення). Таким чином утворилися важливі родовища промислових корисних копалин, включаючи родовища бури в Долині Смерті та озері Сірлс, а також морські родовища гіпсу, знайдені в багатьох штатах.

Мінерали з високою питомою вагою (наприклад, золото, платина, алмази) можуть концентруватися проточною водою в розсипних родовищах, знайдених у руслах потоку та вздовж берегових ліній. Найвідоміші золоті розсипи родовищ зустрічаються в басейні Вітватерсранд Південної Африки. Залишкові родовища корисних копалин можуть утворюватися, коли процеси вивітрювання видаляють водорозчинні мінерали з ділянки, залишаючи концентрацію менш розчинних мінералів. Алюмінієва руда, боксити, спочатку формувалася таким чином в умовах тропічного вивітрювання. Найвідоміше родовище бокситів в США відбувається в Арканзасі.

УТИЛІЗАЦІЯ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Мінерали розподіляються нерівномірно в земній корі. Мінеральні руди зустрічаються всього в відносно небагатьох районах, тому що для їх створення потрібен особливий набір обставин. Тому ознаки родовища корисних копалин часто невеликі і їх важко розпізнати. Виявлення родовищ вимагає досвіду і знань. Геологи можуть шукати роками, перш ніж знайти економічне родовище корисних копалин. Розмір родовища, його вміст корисних копалин, ефективність видобутку, витрати на переробку та ринкова вартість перероблених корисних копалин - все це фактори, які визначають, чи можна вигідно освоїти родовище корисних копалин. Наприклад, коли ринкова ціна міді значно зросла в 1970-х роках, деякі маржинальні або низькосортні родовища міді раптом стали прибутковими рудними тілами.

Після того, як потенційно вигідне родовище корисних копалин знаходиться, його видобувають за однією з декількох методик. Яка техніка використовується, залежить від типу родовища та від того, чи є родовище неглибоким і, таким чином, придатним для поверхневого видобутку або глибокої і, таким чином, вимагає підповерхневого видобутку.

Методи поверхневого видобутку включають: видобуток відкритих кар'єрів, видобуток смуги району, видобуток контурної смуги та гідравлічний Видобуток відкритого кар'єру передбачає риття великої терасової ями в землі з метою видалення приповерхневого рудного тіла. Ця методика використовується на мідних рудниках в Арізоні та Юті та залізорудних шахтах в Міннесоті.

Площа стрічкового видобутку використовується на відносно рівнинних ділянках. Покриття грунту і гірської породи видаляють з великої траншеї, щоб оголити рудне тіло. Після видалення мінералів засипається стара траншея і викопується нова траншея. Цей процес повторюється до вичерпання наявної руди. Контурна стрічкова видобуток є аналогічною технікою, за винятком того, що вона використовується на горбистій або гірській місцевості. Ряд терас врізається в сторону схилу, при цьому розкривні покриви з кожної нової тераси скидаються в стару внизу.

Гідравлічна видобуток використовується в таких місцях, як Амазонка, з метою видобутку золота з схилів пагорбів. Потужні потоки води високого тиску використовуються для вибуху грунту і породи, що містять золото, які потім відокремлюються від стоку. Цей процес дуже шкідливий для навколишнього середовища, так як цілі пагорби розмиваються і струмки забиваються осадом. Якщо земля, піддана будь-якій з цих методів поверхневого видобутку, не відновлюється належним чином після її використання, то вона залишає на суші непривабливий рубець і сильно схильна до ерозії.

Деякі родовища корисних копалин занадто глибокі, щоб їх видобували на поверхні, і тому вимагають підповерхневого методу видобутку. У традиційному підповерхневому методі риється глибокий вертикальний вал і тунелі риються горизонтально назовні від шахти в рудне тіло. Руда видаляється і транспортується на поверхню. Найглибші такі підземні шахти (глибше 3500 м) в світі розташовані в басейні Вітватерсранд ПАР, де видобувається золото. Цей вид видобутку менш тривожний для поверхні землі, ніж поверхневий видобуток. Він також зазвичай виробляє менше відходів. Однак це дорожче і небезпечніше, ніж поверхневі методи видобутку.

Нова форма видобутку надр, відома як видобуток на місці, призначена для співіснування з іншими видами землекористування, такими як сільське господарство. Шахта in-situ зазвичай складається з серії нагнітальних свердловин та відновлювальних свердловин, побудованих з кислотостійкого бетону та полівінілхлоридної оболонки. Слабкий розчин кислоти закачується в рудне тіло з метою розчинення мінералів. Потім збагачений металом розчин оформляється через відновлювальні свердловини для переробки на нафтопереробній установці. Цей метод використовується для видобутку мідної руди на місці.

Після видобутку руди її необхідно обробити для видобутку чистого металу. Процеси видобутку металу включають виплавку, електровилуговування та кучне вилуговування. При підготовці до процесу виплавки руду подрібнюють і концентрують флотаційним методом. Концентрована руда розплавляється в плавильній печі, де домішки або спалюються як газ, або відокремлюються як розплавлений шлак. Цей крок зазвичай повторюють кілька разів для підвищення чистоти металу.

Для електровідведення способом руду або шахтні хвости спочатку вилуговують слабким розчином кислоти для видалення потрібного металу. Через розчин пропускається електричний струм і чистий метал гальванізується на катод стартера, виготовлений з того ж металу. Мідь може бути очищена з оксидної руди цим методом. Крім того, спочатку отриманий методом виплавки мідний метал може бути очищений додатково, використовуючи аналогічну електролітичну процедуру.

Золото іноді видобувається з руди методом кучного вилуговування. Велика купа подрібненої руди обприскується ціанідним розчином. Коли розчин просочується через руду, він розчиняє золото. Потім збирається розчин і видобувається з нього золото. Всі методи рафінування можуть завдати шкоди навколишньому середовищу. Металургійні заводи виробляють велику кількість забруднення повітря у вигляді діоксиду сірки, що призводить до кислотних дощів. Методи вилуговування можуть забруднювати потоки токсичними хімікатами, які вбивають дику природу.

МІНЕРАЛЬНА ДОСТАТНІСТЬ І МАЙБУТНЄ

Мінеральні ресурси мають важливе значення для життя, як ми його знаємо. Нація не може бути процвітаючою без надійного джерела корисних копалин, і жодна країна не має всіх необхідних їй корисних копалин. Сполучені Штати мають близько 5 відсотків населення планети і 7 відсотків земної площі світу, але використовує близько 30 відсотків світових мінеральних ресурсів. Він імпортує великий відсоток своїх мінералів; в деяких випадках достатня кількість недоступна в США, а в інших їх дешевше купувати в інших країнах. Деякі корисні копалини, особливо ті, які в основному імпортуються і вважаються життєво важливими, накопичуються Сполученими Штатами з метою захисту від ембарго або інших політичних криз. До таких стратегічних мінералів відносяться: боксити, хром, кобальт, марганець і платина.

Оскільки корисні копалини видобуваються повільно в геологічних часових масштабах, вони вважаються невідновлюваними ресурсами. Розрахункові родовища корисних копалин, які економічно доцільно видобувати, відомі як запаси корисних копалин. Зростаюче використання корисних копалин у всьому світі ставить питання про те, як довго прослужать ці запаси. Більшість корисних копалин мають достатній запас, щоб прослужити протягом багатьох років, але деякі (наприклад, золото, срібло, свинець, вольфрам і цинк), як очікується, недоотримують попиту в найближчому майбутньому. В даний час запаси конкретного мінералу зазвичай збільшуються в міру зростання ціни на цей мінерал. Це пояснюється тим, що більш висока ціна робить економічно доцільним видобувати деякі раніше збиткові родовища, які потім перекладають ці родовища в запаси. Однак у довгостроковій перспективі цього не буде, оскільки родовища корисних копалин в кінцевому підсумку кінцеві.

Існують способи, які допомагають продовжити життя відомих запасів корисних копалин. Консервація - очевидний метод розтягування запасів. Якщо ви використовуєте менше, вам потрібно менше. Переробка допомагає збільшити кількість часу, коли мінерал або метал залишається у використанні, що зменшує попит на нове виробництво. Це також значно економить енергію, оскільки виробництво виробів з перероблених металів (наприклад, алюмінію, міді) витрачає менше енергії, ніж виробництво їх із сировини. Урядове законодавство, яке заохочує збереження та переробку, також корисно. Нинішній «Загальний закон про видобуток корисних копалин 1872 року», однак, робить якраз навпаки. Це дозволяє гірничодобувним компаніям купувати державні землі дуже недорого і не платити жодних роялті за корисні копалини, видобуті з цієї землі. Як результат, ціни на корисні копалини залишаються штучно низькими, що перешкоджає збереженню та переробці.