Экономическая геология: классификация месторождений, методы добычи и промышленное значение минеральных ресурсов

Экономическая геология представляет собой научную дисциплину, посвященную исследованию земных материалов, обладающих экономической или промышленной ценностью. Данная специализированная область охватывает множество направлений, включая систематическое изучение рудных месторождений металлов, неметаллических ресурсов (углеводороды, нефть), драгоценных камней и промышленных материалов, используемых в строительстве и высоких технологиях. Комплексный анализ экономических ресурсов объединяет различные геологические специальности — полевую геологию, геофизику, геохимию и структурную геологию — а также распространяется на междисциплинарные области, включая инвестиционный банкинг, анализ фондового и фьючерсного рынков, основы экономического и государственного планирования. Добыча и освоение экономических ресурсов дополнительно требуют привлечения ученых-экологов и специалистов по планированию, которые обеспечивают минимальное вредное воздействие на окружающие экосистемы.

Минеральные ресурсы, месторождения и запасы руды. Геологические процессы естественным образом концентрируют в земной коре многочисленные полезные ископаемые, некоторые из которых обладают экономической ценностью и приносят пользу человеческому обществу. Когда редкий, потенциально ценный минерал концентрируется в определенном месте, но в количествах, недостаточных для рентабельной добычи, он классифицируется как залежь полезных ископаемых. При достижении критической концентрации, позволяющей вести добычу при текущих или разумно прогнозируемых экономических сценариях, месторождение считается минеральным ресурсом. Запасы руды представляют собой концентрации полезных ископаемых, которые являются экономически выгодными и технически осуществимыми для извлечения с использованием существующих технологий и рыночных условий. Различные категории минеральных ресурсов включают металлические руды, неметаллические руды, драгоценные камни, углеводороды и строительные материалы.

Формирование и обогащение месторождений металлических руд. Большинство металлических руд образуется в результате одного из нескольких основных генетических процессов. К ним относятся обогащение гидротермальными флюидами, кристаллизация из магматической массы, метаморфические процессы (мобилизующие флюиды и химические компоненты в горных породах), механизмы выветривания, сортировка осадочных пород водой в ручьях и другие поверхностные процессы, избирательно удаляющие одни элементы и концентрирующие другие. Эти разнообразные геологические механизмы действуют в различных временных и пространственных масштабах, создавая экономически значимые скопления полезных ископаемых. Многие металлические минеральные руды встречаются в виде соединений сульфид-иона (S²⁻) с катионами металлов, образуя класс минералов с металлическим блеском и относительно мягкими физическими свойствами.

Сульфидные минералы составляют основу крупнейших и наиболее экономически значимых рудных месторождений мира. Пирит (FeS₂) относится к числу наиболее распространенных сульфидных минералов, встречающихся в качестве второстепенного компонента во многих типах горных пород и рудных месторождениях. Пирротин (Fe₇S₈–FeS) представляет собой менее распространенный сульфид железа с переменным содержанием этого элемента. Наиболее экономически значимые рудные месторождения формируются под действием гидротермальных флюидов, где горячие химически активные растворы переносят и осаждают металлы. Свинец (Pb) и цинк (Zn) обычно встречаются в сульфидных соединениях — галените (PbS) и сфалерите (ZnS), тогда как в месторождениях меди преобладают халькопирит (CuFeS₂) и борнит (Cu₅FeS₄).

Железная руда. Железо представляет собой одну из наиболее важных с экономической точки зрения металлосодержащих руд, используемых в строительстве, автомобильной промышленности и многих других отраслях. Большая часть железной руды залегает в докембрийских железистых пластах (BIFs), примером которых служат месторождения в австралийском бассейне Хамерсли. Эти пласты представляют собой мелкослойные последовательности осадочных пород, содержащих тонкие минеральные слои оксида железа, перемежающиеся кремнеземом или другими богатыми кремнеземом слоями. Полосчатые железистые образования преимущественно относятся к архейскому или протерозойскому периоду; генетические модели предполагают особые условия окружающей среды — бедную кислородом атмосферу и подводные вулканические образования, способные переносить растворенное железо в отложения на морском дне. Последующие процессы выветривания изменили многие месторождения, превратив первичный магнетит путем окисления в гематит — форму оксида железа, более легкую для добычи и переработки в сталелитейной промышленности.

Свинцово-цинково-серебряные руды. Многочисленные залежи свинца и цинка ассоциированы с серебром и залегают в подводных условиях, сформировавшихся в результате вулканической активности, что приводит к образованию отложений типа SEDEX (осадочно-эксталяционных). Эти скопления обычно образуются по краям обширных вулканических потоков или на периферии субвулканических плутонов; примечательные примеры находятся в пределах Канадского Верхнего кратона, а дополнительные залегания задокументированы по всей Австралии. Альтернативный тип свинцово-цинковых залежей встречается в виде металлоносных пластов, заместивших первичные карбонатные пласты. Крупнейший в мире пример этой категории находится в центральной части Соединенных Штатов в пределах пояса свинцово-цинковых месторождений долины Миссисипи.

Золото. Золото встречается в разнообразных типах месторождений — от концентраций в кварцевых жилах магматически-метаморфических пород, контролируемых тектоническими плитами, до метаморфических сред и обширных территорий, называемых аллювиальными (россыпными) месторождениями, где потоки размыли первичные источники золота и отложили металл в местах с пониженной скоростью течения. Большинство залежей золота залегают в кварцевых жилах, связанных с интрузиями, гранитами, зонами сдвига и деформированными последовательностями турбидитов. Базальт является распространенным компонентом многих золотоносных провинций; данные свидетельствуют, что метаморфические флюиды мигрируют через базальтовые породы, выщелачивая золото и сопутствующие элементы перед отложением в оптимальных химических и температурных условиях.

Фото золото-кварцевой жилы

Россыпное золото образуется в результате эрозии источников коренного (залежного) золота, последующей транспортировки ручьями и реками или переработки на пляжах перед окончательным осаждением. Крупнейшее в мире месторождение россыпного золота находится в архейском бассейне Витватерсранд (Южная Африка), хотя известны многочисленные другие провинции. К числу наиболее активных районов разработки россыпей, где источники залежного золота были выявлены после наслоения россыпей, относятся золоторудные районы Аляски.

Историческая справка о залежах россыпного золота на Аляске. В конце 1800-х — начале 1900-х годов россыпные золотые месторождения Аляски и Юкона привлекли десятки тысяч жителей приграничных районов на дикие и опасные северные территории. Жизнь оказалась чрезвычайно суровой, наград было мало, а опасностей — предостаточно; тем не менее некоторые старатели успешно находили золото и вносили вклад в заселение северной границы. Золото обычно встречается в виде самородного металла либо в рудных (коренных), либо в россыпных месторождениях. Рудное золото включает первичные залежи в твердой породе или в системах жил, тогда как россыпные месторождения представляют собой вторичные скопления в речном гравии и почвах. Химическая инертность золота позволяет ему сохраняться при выветривании и транспортировке, концентрируясь в почвах и в виде тяжелых минералов в речных отложениях гравия (россыпях).

Добыча россыпного золота на Аляске началась после того, как Джордж Вашингтон Кармак и его шурины-индейцы Скукум Джим и Тагиш Чарли в 1896 году открыли богатые месторождения на притоке реки Клондайк (территория Юкон). Десятки тысяч золотодобытчиков устремились на Клондайк в 1897–1898 годах; еще больше людей в 1898 году пересекли коварные перевалы Чилкут и Уайт-пасс, чтобы обнаружить, что все ручьи и реки уже захвачены. Многие предприниматели продолжили путь на север, в дикую местность Аляски, купленной у России в 1867 году. В 1834 году сообщалось о добыче золота в Русской реке на полуострове Кенай, а в 1886 году — о первом крупном открытии золота в глубине Аляски на реке Фортимайл. Дополнительные месторождения были известны в районе Берч-Крик, на территории нынешнего горного округа Серкл.

Шахтеры, покинувшие район Клондайк, продолжили путь вниз по реке Юкон к побережью полуострова Сьюард, обнаружив золото на пляжах Нома и положив начало новой золотой лихорадке. Пляжи Нома были быстро застолблены, тысячи исследователей поселились между Юконом и Номом в поисках драгоценного металла. В 1902 году итальянский золотоискатель Феликс Педро обнаружил золото в притоке реки Танана на месте современного Фэрбенкса. Это открытие положило начало следующей золотой лихорадке на Аляске и привело к многолетней добыче золота вдоль рек, а также к созданию одного из крупнейших городов Аляски, основанного на добыче золота в реголитах.

Ранние методы добычи россыпей были трудоемкими: шахтеры добывали гравий из ручьев, перевозили его на тачках и промывали в шлюзах и золотоносных лотках. На рубеже веков появились новые методы — шахтеры разводили костры для оттаивания вечной мерзлоты, прокладывали туннели глубиной 6–10 м (20–30 футов) в гравии и выкапывали большие кучи для последовательной промывки. В последующих технологиях использовались мощные гидравлические форсунки для размораживания и разрыхления больших объемов гравия, а в 1930-х годах появились паровые экскаваторы и ковшовые драги, значительно ускорившие добычу. Только в 1980-х годах экологические проблемы остановили эти методы; к тому времени окружающая среда была полностью опустошена, а бесплодный гравий постепенно заменял русла ручьев. В настоящее время разведка золота в почвах и реголитах проводится в соответствии со строгими руководящими принципами Агентства по охране окружающей среды США (EPA).

Элементы платиновой группы. Некоторые редкие металлы, обозначаемые как элементы платиновой группы (PGE), образуют экономически значимые концентрации в определенных ультраосновных магматических породах и встречаются в тяжелых морфологических формах. Хромит может залегать в виде слоев (обычно в пределах континентальных интрузий) или в виде небольших скоплений в ассоциациях ультраосновных пород. Хромит и PGE обычно ассоциируют с сульфидными минералами, образуясь, когда в магме содержится достаточное количество серы для кристаллизации этих фаз, пока порода остается в жидком состоянии. Во многих случаях металлические фазы образуются при загрязнении магмы расплавленными горными породами, особенно в континентальных слоистых интрузиях. Известные примеры крупных месторождений хромита, пригодных для промышленного использования, находятся в комплексе Бушвельд (Южная Африка) и в комплексах Маскокс и Стиллуотер (Северная Америка).

Никель. Залежи никеля обычно встречаются в виде скоплений в латеритных почвах либо в сочетании с сульфидными минералами в ультраосновных магматических породах. Никель часто находится рядом с элементами платиновой группы и проявляет геохимическое сродство, обусловливающее его ассоциацию с сульфидными минералами (пирит, халькопирит, пирротин) в ультраосновных породах, включая коматииты. Дополнительные залежи никеля обнаружены в тропических регионах, где в результате латеритного выветривания многие элементы вымываются, оставляя остаточные нерастворимые материалы. Эти залежи, называемые никелевыми латеритными месторождениями, встречаются в некоторых частях Африки (включая Мадагаскар) и в Карибском регионе. В большинстве случаев вмещающие породы являются ультраосновными, хотя при достаточно интенсивном тропическом выветривании никель и сопутствующие металлы могут концентрироваться и в других типах пород. Золото также может концентрироваться в некоторых латеритных профилях выветривания.

Месторождения меди. Наиболее экономически выгодные месторождения меди находятся в связи с вулкано-плутоническими дугообразными образованиями в пределах порфировых месторождений, хотя дополнительные запасы залегают в осадочных отложениях. В медно-порфировых месторождениях медь содержится в сульфидном минерале халькопирите, который обогащается и переносится вверх гранитными магмами и связанными с ними гидротермальными флюидами от плутонов. Медь также часто встречается в залежах никеля, золота, свинца и цинка. Кроме того, медь может формироваться в глубоководных районах океана, когда из глубокозалегающих отложений вытекают солевые растворы, вызывая осаждение меди, свинца и цинка непосредственно на морском дне.

Уран. Урановые руды обычно добываются из гранитных источников, где радиоактивные минералы (например, монациты) выщелачиваются из гранитов, переносятся кислотными растворами и впоследствии осаждаются там, где флюиды подвергаются нейтрализации — в углеродсодержащих отложениях и, в некоторых случаях, на поверхностях несогласия. Дополнительные запасы урановых руд залегают непосредственно в гранитных вмещающих породах; примером служит австралийское месторождение Олимпик-Дам, содержащее примерно 35 процентов известных в мире экономически извлекаемых запасов урана.

Для дальнейшего чтения: Эванс А. М. Рудная геология и промышленные минералы: введение. Оксфорд: Blackwell Science, 1993.
Гроувз Д. И. "Модель континуума земной коры для позднеархейских месторождений рудного золота блока Йилгран, Западная Австралия". Mineralium Deposita 28 (1993): 366-374.
Дженсен, Мид Лерой и Алан Бейтман. Экономические месторождения полезных ископаемых. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 1979.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.