20.1: Металеві родовища

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36395

$ \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}}$

Гірничодобувна промисловість завжди була основною частиною економіки Канади. Канада має одні з найбільших гірничодобувних районів і родовищ у світі, і протягом останніх 150 років ми були одним з найважливіших світових постачальників металів. Видобуток ресурсів Землі йде далеко в Канаду. Наприклад, Перші Нації Британської Колумбії добували обсидіан з вулканічних регіонів для знарядь праці і торгували ним вгору і вниз по узбережжю. У 1850-х роках золото було виявлено в центральній частині Британської Колумбії, а в 1890-х роках ще більше золота було виявлено в районі Клондайк Юкона. Ці дві події мали вирішальне значення для раннього розвитку Британської Колумбії, Юкона та Аляски.

$\PageIndex{1}$Малюнок Значення різних канадських гірничодобувних секторів у 2017 році. Загальна вартість цих продуктів склала близько $44 млрд в 2017 році.

Виручка видобувного сектору Канади склала близько $44 млрд в 2017 році (рис.$\PageIndex{1}$). 4 найціннішими товарами були золото, вугілля, мідь та поташ, з важливою кількістю заліза, нікелю, алмазів, піщаних та гравійних заповнювачів, каменю та цинку. Доходи від нафтового сектору значно вищі - понад 100 мільярдів доларів на рік.

Родовище металу - це тіло гірської породи, в якому один або кілька металів були зосереджені до того, щоб бути економічно життєздатним для відновлення. Деякі фонові рівні важливих металів в середніх породах наведені в таблиці 20.1 поряд з типовими сортами, необхідними для внесення життєздатного родовища, і відповідними концентраційними факторами. Дивлячись на мідь, наприклад, ми бачимо, що, хоча середня порода має близько 40 ppm (частин на мільйон) міді, для створення життєздатного родовища міді необхідна марка близько 10 000 ppm або 1%. Іншими словами, мідна руда має приблизно в 250 разів більше міді, ніж типова порода. Для інших елементів у списку коефіцієнти концентрації набагато вище. Для золота це 2000 разів, а для срібла - близько 10 000 разів.

Таблиця 20.1 Типові фонові та рудні рівні деяких важливих металів. ^[1]
Металеві	Типовий рівень фону	Типовий економічний сорт*	Коефіцієнт концентрації
Мідь	40 проміле	10 000 проміле (1%)	250 разів
Золотий	0,003 проміле	6 проміле (0,006%)	2 000 разів
Свинець	10 проміле	50 000 проміле (5%)	5 000 разів
Молібден	1 проміле	1000 проміле (0,1%)	1 000 разів
Нікель	25 проміле	20 000 проміле (2%)	800 разів
Сріблястий	0,1 проміле	1000 проміле (0,1%)	10 000 разів
Уран	2 проміле	10 000 проміле (1%)	5 000 разів
Цинк	50 проміле	50 000 проміле (5%)	1 000 разів
*Важливо зазначити, що економічна життєздатність будь-якого родовища залежить від широкого спектру факторів, включаючи його сорт, розмір, форму, глибину під поверхнею та близькість до інфраструктури, поточну ціну металу, трудові та екологічні норми в цьому районі та багато інших факторів.

Зрозуміло, що для формування видобувного родовища повинна відбутися певна дуже значна концентрація. Ця концентрація може виникати під час формування породи господаря, або після утворення гірських порід, через ряд різних типів процесів. Існує дуже велика різноманітність рудоутворюючих процесів, і існують сотні видів родовищ корисних копалин. Витоки деяких з них описані нижче.

Магматичний Нікель Родовища

$\PageIndex{2}$Малюнок Виплавка нікелю в Томпсоні, Манітоба.

Магматичний осад - це той, в якому концентрація металу відбувається насамперед одночасно з утворенням і розміщенням магми. Велика частина нікелю, видобутого в Канаді, походить з магматичних родовищ, таких як Садбері (Онтаріо), Томпсон (Манітоба) (рис.$\PageIndex{2}$) та затоці Вузі (Лабрадор). Магми, з яких утворюються ці родовища, мають мафічний або ультрамафічний склад (отримані з мантії), і тому вони мали відносно високий вміст нікелю та міді для початку (в 100 разів більше, ніж звичайні породи у випадку з нікелем). Ці елементи можуть додатково концентруватися всередині магми в результаті додавання сірки від часткового плавлення навколишніх порід. Важкі мінерали нікелю та сульфіду міді потім концентруються ще далі шляхом гравітаційної сегрегації (тобто кристали осідають до дна магматичної камери). У деяких випадках спостерігаються також значні концентрації платиноносних мінералів в магматичних родовищах.

Більшість цих видів відкладень у всьому світі є докембрійськими за віком; мантія в той час була значно спекотнішою, а необхідні мафічні та ультрамафічні магми були швидше розміщені в континентальній корі.

Вулканогенні масивні сульфідні відкладення

Значна частина міді, цинку, свинцю, срібла та золота, видобутого в Канаді, видобувається з масивних сульфідних родовищ (VHMS), пов'язаних з підводним вулканізмом (родовища СМС). Прикладами є поклади в Кідд-Крік, Онтаріо, Флін-Флон на кордоні Манітоба-Саскачеван, Британія на Хау-Саунд та Водоспад Майра (у парку Страткона) на острові Ванкувер.

Малюнок$\PageIndex{3}$ зліва: Чорний курець на хребті Хуан де Фука біля західного узбережжя острова Ванкувер. Праворуч: Модель формування вулканогенного масивного сульфідного родовища на морському дні.

Відкладення ВМС утворюються з води, що скидається при високій температурі (250° до 300° C) на гідротермальних отворах океанічного дна, переважно в районах вулканізму зони субдукції. Навколишнє середовище порівнянне з сучасними чорними курцями (рис.$\PageIndex{3}$), які утворюються там, де гаряча вода, багата металами та сульфідами, з морського дна. Їх називають масивними сульфідними відкладами, оскільки сульфідні мінерали (включаючи пірит (FeS2), сфалерит (ZnS), халкопірит (CuFeS ₂) та галена (PbS)), як правило, присутні в дуже високих концентраціях (в деяких випадках складають більшість гірських порід). Метали та сірка вимиваються з порід морського дна шляхом конвекції підземних вод, керованих вулканічним теплом, а потім швидко осідають там, де ця гаряча вода потрапляє в холодну морську воду, змушуючи її раптово охолоджуватися і хімічно змінюватися. Вулканічна порода, на якій розміщуються родовища, утворюється в тій же області і в той же загальний час, що і накопичення рудних мінералів.

Порфірові родовища

Порфірові родовища є найважливішим джерелом міді та молібдену в Британській Колумбії, на заході США та Центральної та Південної Америки. Більшість родовищ порфіру також містять трохи золота, а в рідкісних випадках золото є основним товаром. До н.е. приклади включають кілька великих родовищ в межах шахти Highland Valley (рис.$\PageIndex{1}$) та численні інші родовища, розкидані по центральній частині провінції.

Рисунок$\PageIndex{4}$ А модель формування родовища порфіру навколо верхньої кори порфіритного запасу та пов'язаних з ними відкладень вен.

Порфіровий осад утворюється навколо охолоджуючого фельсичного запасу у верхній частині кори. Їх називають «порфіром», оскільки запаси верхньої кори, як правило, порфіритні за текстурою, результатом двоступеневого процесу охолодження. Збагачення металу частково призводить до конвекції підземних вод, пов'язаних з теплотою запасу, а також від багатою металом гарячої води, що виганяється охолоджуючої магмою (рис.$\PageIndex{4}$). Скелі господаря, які зазвичай включають в себе сам запас і навколишні породи країни, як правило, сильно тріщини і брекцірованіе. Під час рудоутворювального процесу деякі вихідні мінерали в цих породах змінюються на калієвий польовий шпат, біотит, епідот та різні глинисті мінерали. Важливі рудні мінерали включають халькопірит (CuFeS ₂), борніт (Cu ₅ FeS ₄) та пірит у родовищах порфіру міді або молібденіт (MoS ₂) та пірит у родовищах порфіру молібдену. Золото присутній у вигляді дрібних пластівців рідного золота.

Цей тип середовища (тобто навколо і над нав'язливим тілом) також сприятливий для формування інших типів родовищ - особливо золотих родовищ венового типу (також епітермальних родовищ). Деякі з золотих родовищ Британської Колумбії (наприклад, в районі Ескай-Крик, що прилягає до Аляски панхандле), і багато інших родовищ золота, розташованих уздовж західного краю Південної та Північної Америки, мають тип вени, показаний на малюнку$\PageIndex{4}$, і пов'язані з сусідніми тілами магми.

Формування стрічкового заліза

Малюнок$\PageIndex{5}$ стрічкового заліза з невідомого місця в Північній Америці виставлений в музеї в Німеччині. Скеля близько 2 м в поперечнику. Темно-сірі шари є магнетитом, а червоні - гематитом. Черт теж присутній.

Більшість основних світових родовищ заліза відносяться до типу стрічкового залізоутворення, і більшість з них утворилися під час початкової оксигенації атмосфери Землі між 2400 і 1800 Ма. У той час залізо, яке було в розчиненому вигляді в океані (як Fe2+), окислювалося до своєї нерозчинної форми (Fe3+) і накопичувалося на морському дні, здебільшого у вигляді гематиту, що втручається з чертом (рис.$\PageIndex{5}$). На відміну від багатьох інших металів, які економічно вигідні при класах близько 1% або навіть набагато менше, поклади заліза є життєздатними лише в тому випадку, якщо сорти знаходяться в порядку 50% заліза і якщо вони дуже великі.

Невідповідність типу уранових родовищ

Рисунок$\PageIndex{6}$ Модель формування уранових родовищ невідповідності типу басейну Атабаска, Саскачеван.

Існує кілька різних типів уранових родовищ, але деякі з найбільших і найбагатших - це ті, що знаходяться в басейні Атабаска на півночі Саскачевану. Вони називаються невідповідністю типу уранових родовищ, оскільки всі вони розташовані дуже близько до невідповідності між протерозойським Athabasca Group пісковиком і набагато старішими архейськими осадовими, вулканічними та нав'язливими магматичними породами (рис.$\PageIndex{6}$). Походження родовищ U невідповідності типу U не до кінця вивчено, але вважається, що важливі дві особливості: (1) відносна проникність пісковика групи Атабаска та (2) наявність графітових сланців всередині підстилаючих архейських порід. Проникність пісковика дозволяла грунтовим водам протікати через нього і вимивати невеликі кількості U, які залишилися в розчині в окисленому вигляді U ⁶⁺. Графіт (С) створив відновлювальне (неокисне) середовище, яке перетворювало уран з U ⁶⁺ в нерозчинний U ⁴⁺, в цей момент він осаджувався як мінерал уранініт (UO ₂).

Вправа 20.2 Важливість теплових і теплових двигунів

З різних причин теплова енергія (тепло) зсередини Землі має вирішальне значення при формуванні багатьох видів рудних родовищ. Озирніться назад через описи типу родовища вище і заповніть наступну таблицю, описуючи, які з цих типів родовищ залежать від джерела тепла для їх утворення і чому.

Які типи родовищ залежать від теплоти для утворення?
Тип депозиту	Чи є тепло фактором?	Якщо так, то яка роль тепла?
Магматичний
Вулканогенний масивний сульфід
Порфір
Формування стрічкового заліза
Невідповідність типу урану

Див Додаток 3 для вправ 20.2 відповіді.

Видобуток корисних копалин

Малюнок$\PageIndex{7}$ Підпілля на шахті Myra Falls, острів Ванкувер.

Схема підземної шахти. Опис зображення доступний. — Малюнок$\PageIndex{8}$ Схематичний перетин типової підземної шахти.

Металеві родовища видобувають різними способами залежно від їх глибини, форми, розміру та сорту. Відносно великі родовища, які знаходяться досить близько до поверхні і кілька правильної форми, видобувають за допомогою відкритих шахтних методів (рис.$\PageIndex{1}$). Створення гігантської ями в землі, як правило, дешевше, ніж зробити підземну шахту, але вона також менш точна, тому необхідно видобувати багато відходів породи разом з рудою. Відносно глибокі поклади або ті, що мають витягнуту або неправильну форму, як правило, видобувають з підземних глибоких вертикальних шахт, ухилів (похилих тунелів) та рівнів (горизонтальні тунелі) (рис. 20.1.7 та 20.1.9). Таким чином можна сфокусувати видобуток на самому рудному тілі. Однак при відносно великих рудних тілах може знадобитися залишити деякі стовпи, щоб утримувати дах.

У багатьох випадках приповерхнева частина рудного тіла видобувається відкритим котлованом, а більш глибокі частини видобувають під землею (рис. 20.1.8 і 20.1.9).

Малюнок$\PageIndex{9}$ Вхід до розвідувального занепаду (біла стрілка) для шахти New Afton, розташованої в стороні відкритої ями старого шахти Афтон, недалеко від Камлупса, до н.е.

Типове родовище металів може містити кілька відсотків рудних мінералів (наприклад, халькопірит або сфалерит), змішаних з мінералами вихідної породи (наприклад, кварц або польовий шпат). Інші сульфідні мінерали зазвичай присутні всередині руди, особливо пірит.

Коли руда обробляється (як правило, дуже близько до шахти), вона подрібнюється до дрібного порошку, а рудні мінерали фізично відокремлюються від решти породи, щоб зробити концентрат. На молібденовому руднику, наприклад, цей концентрат може бути майже чистим молібденітом (_{MoS 2}). Решта скелі відома як хвости. Він виходить з концентратора у вигляді вологої суспензії і повинен зберігатися біля шахти, в більшості випадків, у водоймі для хвостів.

Ставок для хвостів на шахті Myra Falls на острові Ванкувер та відстійні ставки для стічних вод з концентратора показані на малюнку$\PageIndex{10}$. Хвости містяться насипом. Також на передньому плані видно купа відходів породи, яка є нерудною породою, яка була видобута для доступу до руди. Хоча ця порода відходів містить мало або зовсім не містить рудних мінералів, на багатьох шахтах вона містить до декількох відсотків піриту. Хвости та відходи породи на більшості шахт є екологічною відповідальністю, оскільки вони містять пірит плюс невелику кількість рудних мінералів. Коли пірит піддається впливу кисню та води, він генерує сірчану кислоту - також відому як дренаж кислотних порід (ARD). Сама кислотність є проблемою для навколишнього середовища, але оскільки рудні елементи, такі як мідь або свинець, більш розчинні в кислої води, ніж нейтральна вода, ГРЗ також, як правило, досить багата металами, багато з яких токсичні.

$\PageIndex{10}$Малюнок Ставок хвостів на шахті Myra Falls на острові Ванкувер. Суха скеля посередині зображення - це відпрацьована порода. Міра Крік протікає між хвостовим ставком і оголовком. Водойми-відстійники (праворуч) використовуються для обробки води з концентратора.

Хвостові ставки та палі для зберігання відходів повинні ретельно підтримуватися, щоб забезпечити їх цілісність та контролювати, щоб не витікати кислі та багаті металами вода. У серпні 2014 року хвостовий ставок на горі. Polley Mine в центральній частині B.C. зазнала невдачі, і 10 мільйонів кубічних метрів стічних вод разом з 4,5 мільйонами кубічних метрів хвостової суспензії було випущено в озеро Поллі, Хазелтин-Крік та озеро Квеснел (рис.$\PageIndex{11}$, а і б). Станом на 2019 рік екологічні наслідки цієї події досі до кінця не вивчені.

$\PageIndex{11}$Малюнок Mt. Polley Mine області до і після порушення греблі серпня 2014 року. Хвости зберігалися в районі з позначкою «утримувальний басейн». Гребля утримання зазнала невдачі, і вода та хвости, випущені, текли в озеро Поллі, Хазелтин-Крик та озера Кеснел.

Більшість шахт мають концентратори на місці, оскільки відокремити рудні корисні копалини від нерудних корисних копалин відносно просто, що значно зменшує витрати та інші наслідки транспортування. Але поділ рудних корисних копалин є лише попереднім етапом переробки металу, для більшості металів другий етап передбачає поділ фактичних елементів всередині рудних корисних копалин. Наприклад, найпоширеніша руда міді - халькопірит (CuFeS ₂). Мідь потрібно відокремити від заліза та сірки, щоб зробити мідний метал, і це включає складні та дуже енергоємні процеси, які виконуються на плавильних заводах або інших типах нафтопереробних заводів. Через їх вартість та економію масштабу, нафтопереробних заводів набагато менше, ніж шахт.

У Канаді є кілька заводів з переробки металів (включаючи плавильні заводи); деякими прикладами є алюмінієвий нафтопереробний завод в Кітіматі, до н.е. (який використовує руду з-за кордону); свинцево-цинковий завод у Трейлі, до н.е.; виплавка нікелю в Томпсоні, Манітоба; численні металургійні заводи в Онтаріо, а також кілька інших переробки операції з нікелю, міді, цинку та урану; алюмінієві нафтопереробні заводи в Квебеку; і свинцевий завод у Нью-Брансвік.

Описи зображень

Опис малюнка$\PageIndex{1}$ зображення: Значення різних гірничодобувних секторів Канади.
Гірничий сектор	Вартість (в мільярдах)
Загальна вартість	$36.7
Поташ	$6.1
Золотий	$5,9
Залізо	$5.3
Мідь	$4.6
Нікель	$3.5
Діаманти	$2,0
Пісок і гравій	$1.7
Цемент	$1.6
Камінь	$1.5
Цинк	$0.8
Уран	$0.7
Сіль	$0.6
Інші метали	$2.4

[Повернутися до малюнка$\PageIndex{1}$]

Опис$\PageIndex{8}$ зображення на малюнку: Відкрита шахта викопується для доступу до руди, яка знаходиться поблизу поверхні. Для руди далі буде побудована підземна шахта для доступу до руди. На цій схемі зображений головний вал (великий вертикальний тунель) з чотирма рівнями (горизонтальними тунелями), з'єднаними з ним. Рівні йдуть від головного шахти в рудне тіло. Вентиляційна шахта проходить через чотири рівні між головною шахтою та рудою для циркуляції повітря.

[Повернутися до малюнка$\PageIndex{8}$]

Атрибуції ЗМІ

Малюнок$\PageIndex{3}$ (ліворуч): «Чорний курець» Д. Баттерфілда, Вашингтонський університет та Джей Холден, Univ. Массачусетс Амхерст. Публічне надбання.
Малюнок$\PageIndex{11}$ (ліворуч): «Місце шахти Маунт Поллі» від Visible Earth, NASA. Публічне надбання.
Малюнок$\PageIndex{11}$ (праворуч): «Прорив дамби місця шахти Маунт Поллі 2014» Видима Земля, НАСА. Публічне надбання.

Таблиця Стівена Ерла. ㎡