منابع معدنی و ذخایر انرژی

پژوهشگران برای درک بهتر ساختار زمین، از انواع سنگ‌های مناطق مختلف نمونه‌برداری کرده و ترکیب شیمیایی آن‌ها را بررسی می‌کنند. علمی که به مطالعه ترکیب شیمیایی سیارات، به‌ویژه زمین، و توزیع عناصر در سنگ‌ها و خاک‌ها می‌پردازد، ژئوشیمی نام دارد. دانشمندانی نظیر کلارک و رینگ‌وود با این روش، میانگین فراوانی عناصر در پوسته را تعیین کردند.

مفهوم غلظت کلارک بیانگر فراوانی میانگین یک عنصر در پوسته جامد زمین است. با اندازه‌گیری غلظت عناصر و مقایسه آن با مقادیر میانگین، می‌توان به فرایندهای زمین‌شناسی مانند حرکت ورقه‌ها پی برد. اگر غلظت عنصری در یک منطقه به‌طور غیرعادی بالاتر از میانگین کلارک باشد، پدیده بی‌هنجاری مثبت رخ داده که نشان‌دهنده احتمال وجود کانسار است.

عناصری که غلظت آن‌ها بیش از ۱ درصد باشد، عناصر اصلی نامیده می‌شوند که شامل اکسیژن، سیلیسیم، آلومینیم، آهن، کلسیم، سدیم، پتاسیم و منیزیم هستند. عناصری مثل روی، مس، طلا و کادمیم در دسته عناصر جزئی قرار می‌گیرند.

کانی‌ها بر اساس ترکیب شیمیایی و فراوانی در پوسته زمین به دو گروه بزرگ سیلیکاتی و غیرسیلیکاتی تقسیم می‌شوند. کانی‌های سیلیکاتی که بنیان اصلی آن‌ها SiO_۴^۴- (یک اتم سیلیسیم متصل به چهار اتم اکسیژن) است، بیش از ۹۰ درصد حجم پوسته زمین را تشکیل می‌دهند.

فراوان‌ترین کانی‌های سیلیکاتی، فلدسپارها هستند که خود به دو دسته پلاژیوکلاز (سدیم و کلسیم‌دار) و فلدسپارهای پتاسیم تقسیم می‌شوند. پلاژیوکلازها به‌تنهایی ۳۹٪ حجم پوسته را دارند. سایر سیلیکات‌های مهم شامل کوارتز (۱۲٪ حجم پوسته)، پیروکسن‌ها، آمفیبول‌ها، میکاها (مثل مسکوویت یا طلق نسوز) و کانی‌های رسی هستند. کانی‌هایی مثل الیوین به دلیل فراوانی کم (زیر ۳٪) در گروه سایر سیلیکات‌ها قرار می‌گیرند.

کانی‌های غیرسیلیکاتی شامل اکسیدها (مثل هماتیت)، سولفیدها (مثل کالکوپیریت)، کربنات‌ها (مثل کلسیت) و فسفات‌ها (مثل فیروزه) هستند. هر دو دسته سیلیکاتی و غیرسیلیکاتی در انواع سنگ‌های آذرین، رسوبی و دگرگونی یافت می‌شوند.

پترولوژی یا سنگ‌شناسی، شاخه‌ای از زمین‌شناسی است که به مطالعه منشأ، شیوه تشکیل، رده‌بندی و ترکیب سنگ‌های آذرین و دگرگونی می‌پردازد. این مطالعات نه‌تنها در زمین، بلکه در اجرام آسمانی نظیر ماه و سایر سیارات نیز انجام می‌شود.

تبلور کانی‌ها از ماگما دارای نظم خاصی است که توسط سری واکنش بوون توضیح داده می‌شود. در این سری، کانی‌ها بر اساس دمای تبلور از هم جدا می‌شوند. تبلور معمولاً در نزدیکی سقف اتاقک ماگمایی (که سردتر است) آغاز می‌شود.

در طول سری واکنش بوون، کانی‌های قبلی با مایع مذاب باقی‌مانده واکنش داده و کانی‌های جدیدی می‌سازند. برای نمونه، از واکنش الیوین با مذاب، پیروکسن پدید می‌آید و با ادامه واکنش‌ها، آمفیبول و سپس بیوتیت تشکیل می‌شوند. در مراحل پایانی و دمای پایین (حدود ۷۰۰ درجه)، فلدسپار پتاسیم، مسکوویت و در نهایت کوارتز متبلور می‌شوند.

سنگ‌های آذرین بر اساس محل تشکیل به دو دسته درونی (سرد شدن آهسته در عمق مثل گابرو و گرانیت) و بیرونی (سرد شدن سریع در سطح مثل بازالت، آندزیت، ریولیت و کماتئیت) تقسیم می‌شوند.

پوسته زمین حاوی منابع معدنی ارزشمندی است، اما برای شروع بهره‌برداری، باید شرایط اقتصادی خاصی برقرار باشد. بخش‌هایی از پوسته که دارای تمرکز زیاد (حجم و غلظت کافی) از یک عنصر یا ماده معدنی باشند، کانسار نامیده می‌شوند. یک معدن تنها زمانی شکل می‌گیرد که استخراج آن ماده، توجیه سودآوری داشته باشد.

سنگ معدن یا کانسنگ از دو بخش اصلی تشکیل شده است: کانه (بخش ارزشمند و اقتصادی) و باطله (مواد بی‌ارزش همراه کانه). برای مثال در کانسنگ مس، کانه اصلی معمولاً کالکوپیریت (CuFeS) است و کوارتز، میکا، فلدسپار و پیریت نقش باطله را دارند.

محصول نهایی کانه آرایی، کنسانتره نام دارد. کنسانتره ممکن است مستقیماً در صنعت استفاده شود (مثل برخی کانی‌های صنعتی) یا برای جداسازی نهایی فلز به کارخانه‌های ذوب منتقل گردد. کانی‌های صنعتی مثل ژیپس (برای گچ بنایی)، کائولن (برای سرامیک) و مسکوویت (برای طلق نسوز) معمولاً مستقیماً مصرف می‌شوند.

در مواردی مثل طلا، نقره و مس که گاهی به‌صورت آزاد (عنصری) در طبیعت یافت می‌شوند، فرآیند خالص‌سازی ساده‌تر است.

کانسارهای فلزی بر اساس نحوه تشکیل به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: ماگمایی، گرمابی و رسوبی. در کانسارهای ماگمایی، کانی‌های آهن و منیزیم‌دار (نظیر کرومیت و مگنتیت) به دلیل دمای تبلور بالا و چگالی زیاد، در مراحل اولیه تبلور در نزدیکی سقف اتاقک ماگمایی جدا شده و در بخش‌های زیرین ته‌نشین می‌شوند (مثل نیکل، کروم، پلاتین).

کانسنگ‌های گرمابی (هیدرولترمال) زمانی تشکیل می‌شوند که آب‌های گرم (منشأ از ماگما، بستر اقیانوس یا آب‌های زیرزمینی عمیق) عناصر را از سنگ‌ها حل کرده و در شکستگی‌ها ته‌نشین کنند (مثل مس، طلا، سرب، روی، مولیبدن، قلع). پلاسرها نیز کانسارهای رسوبی هستند که در آن‌ها فلزات قیمتی مثل طلا، الماس، پلاتین به دلیل چگالی زیاد و هوازدگی سنگ مادر، در رسوبات رودخانه‌ای تجمع می‌یابند.

فرآیند اکتشاف شامل چند مرحله است: شناسایی مناطق مستعد با نقشه‌های زمین‌شناسی، بازدید صحرایی، و تعیین موقعیت تقریبی ذخیره با روش‌های ژئوفیزیکی (استفاده از خواص مغناطیسی، رسانایی الکتریکی و میدان گرانش). در نهایت، اقتصادی بودن ذخیره ثابت شده و روش استخراج (روباز یا زیرزمینی) بر اساس شکل، ابعاد و عمق توده معدنی تعیین می‌گردد.

گوهرها کانی‌های باارزشی هستند که به دلیل زیبایی، درخشش، سختی زیاد، رنگ خاص و کمیاب بودن از سایر سنگ‌ها متمایز می‌شوند. تشکیل گوهرها فرآیندی پیچیده است که در فرآیندهای ماگمایی (مثل زبرجد و زمرد)، گرمابی و دگرگونی (مثل الماس و گارنت) رخ می‌دهد. فرآیندهای هوازدگی و فرسایش، اگرچه در تشکیل پلاسرها نقش دارند، اما کانی‌سازی گوهری انجام نمی‌دهند.

برای سنجش سختی گوهرها از مقیاس موهس استفاده می‌شود که از عدد ۱ (تالک) تا ۱۰ (الماس) است. سختی به معنای مقاومت در برابر خراشیدگی است، نه شکستگی.

الماس در شرایط دما و فشار بسیار زیاد در گوشته زمین تشکیل می‌شود. یاقوت (کرندوم) با سختی ۹، دومین کانی سخت پس از الماس است. در میان گوهرهای سیلیکاتی، زبرجد (کانی الیوین)، گارنت (با تنوع رنگ سبز، قرمز و زرد) و آمتیست (کوارتز بنفش) جایگاه ویژه‌ای دارند. اوپال گوهری سیلیسی با پدیده بازی رنگ است و فیروزه با ترکیب فسفاتی، قدیمی‌ترین گوهری است که در سنگ‌های آتشفشانی اطراف نیشابور کشف شده است.

نفت خام از تجمع بقایای جانداران دریایی به نام پلانکتون‌ها در محیط‌های دریایی کم‌عمق (کمتر از ۲۰۰ متر) ایجاد می‌شود. این مواد آلی در لایه‌های رسوبی ریزدانه بستر دریا دفن شده و تحت تأثیر دما، فشار، زمان، محیط بدون اکسیژن و فعالیت باکتری‌های غیرهوازی، طی واکنش‌های شیمیایی-حرارتی به نفت تبدیل می‌شوند. لایه‌ای که نفت در آن تشکیل می‌شود، سنگ منشأ (سنگ مادر) است.

فرآیند جابه‌جایی نفت از سنگ مادر به سمت بالا مهاجرت اولیه نامیده می‌شود که فشار طبقات فوقانی عامل اصلی آن است. پس از رسیدن نفت به لایه‌ای با تخلخل و نفوذپذیری زیاد، سنگ مخزن شکل می‌گیرد. در داخل سنگ مخزن، مهاجرت ثانویه رخ می‌دهد که در آن نفت، گاز و آب شور به دلیل اختلاف چگالی از هم جدا شده و در بالای لایه‌ها قرار می‌گیرند.

اگر نفت در مسیر خود به پوش‌سنگ نرسد، به سطح زمین می‌آید. در سطح، نفت اکسیده شده و مواد فرار آن تبخیر می‌شود که منجر به تشکیل قیر طبیعی یا چشمه‌های نفتی می‌گردد.

زغال سنگ یک سوخت فسیلی جامد است که از تجمع مواد آلی گیاهی (عمدتاً گیاهان جنگلی) در محیط‌هایخشکی و مردابی با اکسیژن اندک تشکیل می‌شود. برخلاف نفت که منشأ دریایی دارد، زغال سنگ در باتلاق‌ها و تالاب‌هایی تشکیل می‌شود که سرعت رسوب‌گذاری در آن‌ها بالا باشد تا مواد گیاهی پیش از تجزیه کامل، مدفون شوند.

فرآیند زغال‌شدگی (Coalification) شامل چند مرحله اصلی است. در مرحله اول، بقایای گیاهی توسط باکتری‌های غیرهوازی تجزیه شده و تورب (پوده) را می‌سازند که بیشترین ضخامت و آب را داشته و نارس‌ترین نوع زغال است. با گذشت میلیون‌ها سال و افزایش فشار رسوبات فوقانی، آب و مواد فرار (مانند متان و کربن دی‌اکسید) خارج شده و درصد کربن افزایش می‌یابد.

ترتیب تکامل زغال سنگ به این صورت است: تورب ← لیگنیت ← بیتومینه ← آنتراسیت. آنتراسیت مرغوب‌ترین نوع زغال سنگ با بالاترین توان تولید انرژی، بیشترین درصد کربن و کمترین میزان آب و متان است.

یک ماده برای اینکه در زمین‌شناسی کانی محسوب شود، باید چهار ویژگی داشته باشد: طبیعی باشد، جامد باشد، متبلور باشد (نظم اتمی درونی) و ترکیب شیمیایی نسبتاً ثابت داشته باشد. بر همین اساس، موادی مثل نبات (ساخته دست انسان)، نفت (مایع) و آب شور کانی محسوب نمی‌شوند.

نمک یک کانی است زیرا طبیعی، جامد و متبلور است. گرافیت نیز کانی است که از کربن خالص تشکیل شده و در ساخت مداد کاربرد دارد. سنگ‌ها نیز از اجتماع یک یا چند نوع کانی تشکیل می‌شوند.

سنگ آهک عمدتاً از کانی کلسیت (تشکیل شده از کلسیم، کربن و اکسیژن) است، در حالی که گرانیت حاوی سیلیسیم، آلومینیم، پتاسیم و اکسیژن می‌باشد. بنابراین، کلسیم در سنگ آهک وجود دارد اما عنصر اصلی گرانیت نیست.