درسنامه کامل زمین شناسی فصل 2 منابع معدنی و ذخایر انرژی، زیربنای تمدن و توسعه

۱) شناسایی توسط زمین شناسان

۲) استخراج از معادن

۳) فرآوری

۴) تبدیل به کالای مورد نیاز

۱) تعیین غلظت عناصر در پوسته زمین:

توسط کلارک و رینگوود (ژئوشیمی)

۲) روش کار:

نمونه برداری از انواع سنگ‌های مناطق مختلف با هدف:

۱- تعیین ترکیب شیمیایی پوسته زمین

۲- بررسی پراکندگی عناصر در بخش‌های مختلف پوسته زمین

غلظت کلارک عناصر فراوان در پوسته جامد زمین

تعریف:

فراوانی میانگین عناصر پوسته زمین

اندازه گیری غلظت عناصر در سنگ‌ها و خاک‌های هر منطقه و مقایسه آن با مقادیر غلظت میانگین

۱) بی هنجاری مثبت:

اگر غلظت عناصر در یک منطقه بیشتر از مقدار میانگین (غلظت کلارک) باشد.

۲) بی هنجاری منفی:

اگر غلظت عناصر در یک منطقه کمتر از مقدار میانگین (غلظت کلارک) باشد.

الف) یافتن مکان‌هایی با بی هنجاری مثبت از یک عنصر در پی جویی‌های اکتشافی

ب) پی بردن به فرآیندهای زمین شناسی مانند:

۱- حرکت ورقه‌های سنگ کره

۲- تاریخچه تکوین یک منطقه

۳- آلودگی‌های زیست محیطی و ...

کانی:

جسمی است طبیعی، متبلور، جامد که ترکیب شیمیایی نسبتاً ثابتی دارد.

کانی ها بر اساس ترکیب شیمیایی به دو گروه تقسیم می‌شوند:

الف) سیلیکات ها

۱- بیش از ۹۰ درصد پوسته زمین را تشکیل می‌دهند.

۲- در ترکیب شیمیایی خود بنیان  \((SiO_۴)^{۴‐}\) دارند.

۳- در سنگ‌های آذرین، رسوبی و دگرگونی یافت می‌شوند.

ب) غیر سیلیکات ها

۱- فاقد بنیان سیلیکانی در ترکیب خود هستند.

۲- در انواع سنگ‌های آذرین، رسوبی و دگرگونی وجود دارند.

۲- شامل سولفات ها \((SO_۴^{۲‐})\)، فسفات ها \((PO_۴^{۳‐})\)، سولفید ها \((S^{۲‐})\)، کربنات ها\((CO۲^{۲‐})\)  و عناصر آزاد هستند.

تعریف: گروهی از کانی ها هستند که در آنها یک فلز ارزشمند اقتصادی وجود دارد.

اجزای تشکیل دهنده کانسنگ:

۱) کانه:

بخش ارزشمند یک کانسنگ.

۲) باطله:

موادی که ارزش اقتصادی قابل توجهی ندارند.

۱- حجم و غلظت کافی از ماده معدنی در منطقه مورد نظر

۲- نوع کانی های ارزشمند آن

۳- نسبت بالای کانه به باطله

۴- پایین بودن هزینه های استخراج

۵- قیمت فروش مناسب و میزان تقاضا در بازار و......

کانسار بخش‌هایی از پوسته زمین هستند که:

۱) حجم زیادی از ماده معدنی در آنجا متمرکز شود. (وجود بی هنجاری مثبت از یک عنصر در منطقه)

۲) استخراج آن ماده از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.

شرط آغاز بهره‌برداری از یک ماده معدنی (معدن کاری):

وجود یک عنصر با حجم و غلظت کافی در ماده معدنی موجود در منطقه مورد نظر

۱) مواد معدنی غیرفلزی هستند.

۲) برای کاربردهای صنعتی یا روزمره استخراج می‌شوند.

شن و ماسه: در ساختمان سازی

خاک رس: در ساخت آجر، کاشی، سرامیک – مثال سفالگری لالجین همدان

سنگ‌های ساختمانی: در نمای ساختمان، کف پوش، پله، دیوار و ...

۱) میزان فراوانی بسیار اندک آن

۲) بالا بودن هزینه های استخراج و مقرون به صرفه نبودن آن

پیشرفت تکنولوژی و استفاده‌ از روش‌های کم هزینه جدید استخراج موجب به بهره‌برداری مجدد از برخی معادن متروکه شده است.

مبنای تقسیم بندی کانسنگ ها

۱- منشأ آن ها

۲- نحوه تشکیل آن ها

الف) کانسنگ های ماگمایی

نحوه تشکیل: سرد شدن و تبلور ماگما و ته نشینی عناصر در بخش زیرین ماگما (کف مخزن ماگمایی) به علت چگالی زیاد.

اهمیت: تشکیل کانسنگ عناصری مانند کروم، نیکل و پلاتین و آهن

پگماتیت:

سنگ‌هایی که با بلورهای بسیار درشتی هستند تشکیل شده‌اند.

شرایط تشکیل: وجود مقدار زیادی آب و مواد فرار مانند دی اکسید کربن پس از تبلور قسمت اعظم ماگما.

اهمیت:

۱- دارای بعضی عناصر خاص مانند لیتیم

۲- دارای بعضی کانی های گوهری مانند زمرد

۳- دارای کانی های صنعتی مانند مسکوویت طلق (نسوز) میکای سفید

ب) کانسنگ های گرمابی

عامل تشکیل آب گرم: از ماگما، آب‌های نفوذی بستر اقیانوس‌ها، آب‌های زیرزمینی راه یافته به اعماق زمین

چگونگی تشکیل: انحلال برخی عناصر فلزی توسط آب‌های گرم

علت:

۱) گرمای ناشی از شیب زمین گرمایی

۲) توده‌های مذاب در بخش‌های عمیق پوسته

شیب زمین گرمایی: تغییرات دما نسبت به عمق در پوسته زمین (به ازای هر ۱۰۰ متر افزایش عمق، ۳ درجه سانتی گراد افزایش دما)

ذخایر دارای منشأ گرمایی: مس، سرب، روی، مولیبدن، قلع و طلا.

پ) کانسنگ های رسوبی

این نوع کانسنگ ها به دو صورت تشکیل می‌شوند:

۱- ذخایر سرب و روی وجود در سنگ‌های آهکی

۲- ذخایر مس و اورانیوم موجود در ماسه سنگ‌ها 

ذخایر پلاسری:

جدا شدن کانی های معدنی از سنگ‌های هوازده، توسط آب‌های روان و ته‌نشین شدن آن‌ها در آبرفت مسیر رود به علت چگالی زیاد (مثل: طلا، پلاتین، الماس)

مراحل اکتشاف معدن:

الف) مرحله شناسایی:

یافتن مناطقی که در آن‌ها احتمال تشکیل ذخایر معدنی وجود دارد.

روش‌های شناسایی:

۱) بررسی نقشه‌های زمین شناسی

۲) بازدیدهای صحرایی (فیلد) - (مثال چگونگی یافتن ذخایر سرب موجود در سنگ‌های آهکی) یا زغال در سنگ رسوبی یا گچ در بیان خشک.

با استفاده از روش‌های ژئوفیزیکی:

۱- خواص مغناطیسی کانسنگ

۲- رسانایی الکتریکی سنگ‌ها 

۳- تغییرات میدان گرانش زمین

کاربرد روش‌های ژئوفیزیکی: شناسایی ذخایر زیرسطحی و پنهان

ب) مشخص شدن موقعیت تقریبی توده معدنی در زیر زمین

پ) مرحله حفاری

حفاری با دستگاه‌های پیشرفته به منظور نمونه برداری از عمق

ت) مطالعات آزمایشگاهی

بررسی نمونه‌های به دست آمده از حفاری در آزمایشگاه به کمک میکروسکوپ با دستگاه‌های تجزیه شیمیایی

ث) شناسایی کانی های موجود در نمونه ها

ج) تحلیل داده‌ها (آخرین مرحله اکتشاف)

توسط نرم افزارها به منظور تعیین:

۱- مقدار ذخیره معدن

۲- عیار میانگین ماده معدنی

شرط آغاز عملیات استخراج: اقتصادی بودن ذخیره معدنی

چگونگی تعیین روش‌های استخراج ماده معدنی: بر اساس شکل و چگونگی قرارگیری توده معدنی در پوسته

انواع روش‌های استخراج: ۱- روباز ۲- زیرزمینی

فرآیند جداسازی کانی های مفید اقتصادی از باطله (در کارخانه‌هایی در کنار معادن)

کنسانتره:

محصول نهایی کانه آرایی - روش‌های استفاده:

۱- انتقال به کارخانه ذوب به منظور جداسازی فلز

۲- به طور مستقیم و یا با تغییر اندک و ارسال به بازار مصرف

در این روش با افزودن جیوه به طلا، طلا در آن حل می‌شود. با حرارت دادن این ترکیب، جیوه به علت فرّار بودن، تبخیر شده و طلا در ته ظرف باقی می‌ماند.

گوهر (جواهر)

تعریف: سنگ‌ ها و یا کانی های گران بهایی هستند که از دیگر سنگ ها و کانی ها متمایز می شوند.

۱- زیبایی        ۲- درخشش        ۳- سختی زیاد        ۴- رنگ        ۵- کمیاب بودن

چگونگی تشکیل: توسط فرآیندهای ماگمایی، گرمابی یا دگرگونی و تحت شرایط خاص

۱) دما و فشار زیاد

۲) حضور مواد فرّار

۳) در اعماق زمین

الماس کانی با درجه سختی زیاد است که درخشندگی بسیار خوبی دارد، ولی برلیان تراش خاصی از الماس است.

ابزارها و نحوه تراش گوهرها

با الماس (درجه سختی ۱۰)

۱) الماس

نوع کانی: گوهری با ترکیب کربن خالص

شرایط تشکیل: دما و فشار بسیار زیاد

محل تشکیل: گوشته زمین

کاربرد: ۱- استفاده گوهری ۲- نوعی ساینده

۲) یاقوت

دارای بیشترین سختی بعد از الماس (درجه (۹)

نام علمی: کرندوم (اکسید آلومینیوم)

کرندوم آبی: یاقوت کبود

کرندوم قرمز: یاقوت سرخ

۳) زمرد

نوع کانی: سیلیکاتی

رنگ: سبز

معروفترین و گرانترین سیلیکات بریلیم

۴) گارنت

نوع کانی: سیلیکاتی

رنگ سبز، قرمز، زرد، نارنجی و ....

فراوان ترین رنگ: قرمز تیره

۵) عقیق

نوع کانی: سیلیسی \((SiO_۲)\)

رنگ: دارای رنگهای متنوع

نوعی کوارتز نیمه قیمتی

دارای نام‌ ها و تراش های مختلف در ایران

۶) زبرجد

نوع کانی: سیلیکاتی

نوع شفاف و قیمتی کانی الیوین

رنگ: سبز زیتون

۷) فیروزه

نوعی گوهر قدیمی

نوع کانی: غیر سیلیکاتی (فسفانی)

نام تجاری: تور کوایز

در سنگ‌های آتشفشانی اطراف نیشابور

ویژگی‌ها:

۱)از تجزیه مواد آلی گیاهی و جانوری به وجود می‌آیند.

۲) به طور عمده در رسوبات یا سنگ‌های رسوبی ذخیره شده‌اند.

تعریف: هیدروکربن‌هایی هستند که به طور طبیعی به صورت مایع، گاز و نیمه جامد در زمین وجود دارند.

محیط تشکیل: محیط‌های دریایی کم عمق (کمتر از ۲۰۰ متر)

مهمترین منشأ مواد آلی در این محیط ها: پلانکتون‌ ها (اسید چرب)

۱- دفن بقایای پلانکتون‌ها پس از مرگ در رسوبات ریزدانه بستر دریاها

۲- پوشیده شدن ماده آلی باقیمانده توسط لایه‌های بالایی و تشکیل سنگ منشأ (مادر) نفت

۳- ایجاد نفت خام از مواد آلی در طی تبدیل رسوبات ریزدانه به سنگ مادر از طریق یک سری واکنش‌های شیمیایی توسط باکتری

مقدار دما و فشار (و عوامل دیگری مانند زمان، محیطی بدون اکسیژن، وجود باکتریهای غیر هوازی و ...)

دما و فشار اگر از حد مورد نیاز برای تشکیل نفت

بیشتر شود:

مواد آلی قبل از تبدیل به نفت میسوزند و از بین می‌روند.

کمتر شود:

تجزیه مواد آلی به خوبی صورت نمی‌گیرد و در سنگ مادر (منشأ)، نفت تشکیل نمی‌شود.

۱) مهاجرت اولیه:

حرکت نفت و گاز تشکیل شده در سنگ مادر به علت فشار رسوبات فوقانی به سمت بالا به همراه آب دریا (که از زمان رسوب گذاری در سنگ به دام افتاده است) از طریق نفوذ پذیری سنگ‌ها.

اگر این نفت در سطح زمین تبخیر و دچار اکسایش و غلیظ شدگی شود، ذخایر قیرطبیعی به وجود می‌آیند. (نمونه های آن در استان‌های خوزستان و ایلام موجود است.)

۲) مهاجرت ثانویه:

در ادامه حرکت نفت و گاز به سمت بالا، اگر به لایه ای از سنگ‌های نفوذناپذیر مانند رس، شیل و گچ و نمک برسند، این لایه‌های نفوذناپذیر (پوش سنگ) جلوی حرکت رو به بالای آن‌ها را می‌گیرند و آنها را در سنگ مخزن به دام می‌اندازند.

در داخل سنگ مخزن به دلیل اختلاف چگالی آب شور نفت و گاز از یکدیگر جدا می‌شوند. به این جدایش، مهاجرت ثانویه گفته می‌شود.

۱) تخلخل و نفوذپذیری زیاد آن

۲) شکل (وضعیت) هندسی مناسب آن به منظور تجمع و ذخیره‌سازی نفت

۱- تاقدیسی        ۲- گنبد نمکی        ۳- گسلی        ۴- ریفی (مرجانی)

سوخت فسیلی جامدی است که از مواد آلی گیاهی در محیط های خشکی تشکیل می‌شود.

مراحل تشکیل زغال سنگ

۱) وجود گیاهان جنگلی (به منظور تأمین مواد آلی)

۲) انباشته شدن این مواد در باتلاق ها و پوشیده شدن آنها توسط رسوبات (بدون حضور اکسیژن)

۳) تبدیل این مواد آلی به مرور زمان به زغال نارسی به نام تورب (پرده)

۴) فشرده شدن تورب در زیر رسوبات و وزن سنگ‌های بالایی در طی میلیون‌ها سال

۵) خروج آب و مواد فرّار مانند دی اکسید کربن و متان از آن

۶) کاهش ضخامت تورب (مادهای پوک و متخلخل) و تبدیل آن به لیگنیت

۷) افزایش تراکم و تبدیل لیگنیت به زغال سنگ های مرغوب تری به نام بیتومینه و آنتراسیت

مراحل تشکیل آنتراسیت (زغال رسیده):                                                                                                  آنتراسیت \(—>\) بیتومینه \(—>\) لیگنیت \(—>\) تورب (پوده)

تغییرات رخ داده در فرایندهای زغال شدگی از تورب تا آنتراسیت:

۱- افزایش فشار و وزن رسوبات فوقانی

۲- خروج تدریجی آب و مواد فرّار

۳- افزایش درصد خلوص کربن در سنگ حاصل

۴- افزایش کیفیت و توان تولید انرژی زغال سنگ

شرایط لازم برای تشکیل زغال‌سنگ:

۱- اکسیژن اندک لازمه تشکیل زغال سنگ است زیرا اکسیژن زیاد سبب تجزیه مواد آلی اولیه تشکیل دهنده زغال سنگ می‌شود.

۲- محیط ساکن و گرم مناطق مردابی به دلیل کم بودن جریان هوا و نرسیدن اکسیژن به مواد آلی شرایط لازم را برای تشکیل زغال‌سنگ فراهم می‌کنند.

سنگ شناسی(پترولوژی): مطالعه و بررسی سنگ‌های آذرین و دگرگونی در موارد زیر:

۱- شیوه تشکیل

۲- منشأ

۳- رده‌بندی

۴- ترکیب

۵- بررسی فرایندهای دگرگونی، آتشفشانی، نفوذ توده‌های آذرین در درون زمین و حتی ماه و دیگر سیارات و مناطق زمین گرمایی

دقت و توجه به پراکندگی عناصر در پوسته زمین و در نتیجه آن:

یافتن مکان‌هایی که در آن‌ها ذخایر ارزشمند معدنی وجود دارد.

چگونگی تشکیل و مهاجرت نفت در اعماق و در نتیجه آن:

شناسایی مکان‌هایی که نفت می‌تواند در آن‌ها انباشته شود.

شناسایی مکان‌هایی از یک میدان نفتی یا گازی که برای حفاری و استخراج مناسب است.

مطالعه و بررسی ترکیب سیارات (مخصوصاً زمین)

هدف: شناخت عناصر و منابع روی زمین و چگونگی تشکیل آن‌ها و توزیع غیر یکنواخت عناصر به کمک بررسی شیمی سیارات (که همان ترکیب تقریبی زمین است.)