Состав полезных ископаемых

Геологам надо знать, что искать, т. е. представлять, в каком виде встречается в природе то или иное вещество, с какими минералами или горными породами оно связано. А чтобы такие минералы или горные породы искать не вслепую, надо знать, каково их происхождение, с какими геологическими процессами оно связано. Так, породы вулканического происхождения надо искать в одних районах, а породы, накапливавшиеся в осадках древних морей, — в других. Разные процессы связаны с различными структурами земной коры: по разломам и трещинам с глубин поднимается магма; в прогибах земной коры накапливаются толщи осадочных полезных ископаемых, а на месте разрушенных гор обнажаются древние породы фундамента. И всем им свойственны разные группы полезных ископаемых. При этом многие кладовые ценных минералов находятся не на поверхности Земли, а погребены под толщами других пород. Наконец, большинство полезных ископаемых образовалось не в современную эпоху, а в глубочайшей древности — миллионы и сотни миллионов лет назад. И геолог должен уметь читать древнюю историю Земли.

Всем, о чем мы здесь говорим, занимается целая семья геологических наук: минералогия и петрография, изучающие вместе с кристаллографией вещество земной коры; тектоника — наука о строении земной коры, ее структуре и движениях; прошлое Земли исследует историческая геология; особые задачи стоят перед стратиграфией, литологией, гидрогеологией; помогают вести поиск геохимия и геофизика... Все это сложные и увлекательные науки; в других статьях этого раздела вы уже познакомились с самыми общими их выводами, необходимыми для учения о полезных ископаемых.

Различные металлы, твердое и жидкое топливо, расщепляющиеся минералы, строительные и поделочные камни, химическое и керамическое сырье, удобрения,, соль, термальные и минеральные воды и многое, многое другое, без чего не может существовать современный человек, извлекается из недр Земли. В них эти необходимые человеку вещества залегают в виде различных горных пород, руд и минералов, называемых полезными ископаемыми или минеральными ресурсами. Места же их залегания на поверхности и в глубинах Земли, на дне океанов — это месторождения полезных ископаемых.

Еще на заре человеческого общества, в каменном веке, люди использовали глыбы или обломки горных пород и примитивные изделия из них в качестве повседневного орудия труда. Одним из первых металлов было самородное золото, находки которого известны за 12 тыс. лет до н. э. В бронзовый век (приблизительно от 4 тыс. до 1 тыс. лет до н. э.) люди открыли способ выплавлять из руд цветные металлы и получать сплавы меди с оловом, свинцом, сурьмой и серебром. Теперь они не только искали самородки, но добывали руды этих металлов. В более поздний, железный, век наши предки начали ковать изделия из найденного ими метеорного железа, а затем научились выплавлять металл из железной руды. Секрет получения железа из руд был раскрыт в Египте и Месопотамии во 2 тысячелетии до н. э., а в остальных странах, в том числе и в Европе, железо начали выплавлять только в начале нашей эры. Нефть в качестве топлива применялась уже в бронзовом веке, а каменный уголь начал играть существенную роль лишь с XVII в.

Для ювелирных изделий используются кристаллы драгоценных камней. Вверху — аметист Внизу — изумруд

Так постепенно человечество расширяло круг минеральных веществ, добываемых из земных недр. По подсчетам академика В. И. Вернадского, в древние века человек использовал 18 химических элементов, получаемых из полезных ископаемых. К XVII в. их уже насчитывалось 25; в XVIII в.— 29; в XIX в. на службе у человека было уже 47 элементов, а в начале XX в.—54. В середине XX в. человек использует 80 природных элементов, не считая 11 трансурановых элементов, получаемых искусственно.

разновидности агата топаз граненый

Полезные ископаемые так прочно вошли в жизнь человеческого общества, к изделиям из них мы настолько привыкли, что подчас их не замечаем. Мы забываем, что для изготовления ложек, ножей и вилок добывались руды железа, алюминия, хрома, никеля, молибдена, меди и серебра. Для производства изделий из стекла из недр Земли извлекали кварц, а для фарфоровой посуды — полевые шпаты. Из шахт или со дна озер добывают пищевую соль, а для изготовления синтетических тканей употребляют горючий газ и нефтяные продукты.

Не задумываемся мы и о том, что современные сооружения представляют собой целые музеи полезных ископаемых. Так, например, при строительстве главного здания Московского университета на Ленинских горах было использовано 74 разновидности полезных ископаемых, в том числе 12 видов гранита, 5 видов мрамора, 4 вида известняка, 19 различных металлов. Если же учесть полезные ископаемые, потребовавшиеся при изготовлении учебного оборудования и лабораторных приборов, то список их существенно возрастет. В автомобиле «Волга» использовано 36 видов полезных ископаемых.

берилл топаз природный

Одни полезные ископаемые используются в форме природных минералов и кристаллов или твердых, жидких и газообразных пород; другие — в виде элементов и их соединений, извлеченных из пород и руд. Как элементы или их соединения используются черные металлы (железо, марганец, хром), легкие металлы (алюминий, литий), цветные металлы (медь, цинк, свинец), редкие металлы (вольфрам, молибден, олово, кобальт, ртуть), благородные металлы (золото, платина, серебро), радиоактивные металлы (уран, торий, радий, актиний, нептуний, плутоний).

В форме природных минералов наиболее часто используется в промышленности и в быту графит; асбест и андалузит — как огнеупоры; сера и сернистые соединения металлов (колчеданы) — для нужд химии; апатит, фосфорит и калийная соль — как сырье для производства минерального удобрения. Как кристаллы находят применение драгоценные камни (алмаз, изумруд, аквамарин, сапфир, рубин, топаз, аметист); горный хрусталь, кальцит, флюорит, турмалин и другие используются в оптической и электронной промышленности; кристаллы слюд (мусковит, флогопит) применяются в качестве диэлектриков.

Горные породы широко идут в дело при строительстве (плиты гранита и мрамора, гравий, песок, глина), а также в качестве твердого топлива (уголь, горючие сланцы, торф). В жидком виде добываются нефть и различные минеральные воды. В газообразном состоянии из недр Земли получают горючий газ, а также негорючие, или инертные, газы, такие, как гелий, неон, аргон.

Некоторые полезные ископаемые используются в том виде, как добываются, без переработки (графит, слюда, поваренная соль), другие требуют различной обработки. Строительные плиты и драгоценные камни требуют лишь механической полировки и огранки. Глины, идущие для производства цемента и фарфора, проходят термическую обработку — их обжигают в специальных печах при высокой температуре. Различные минеральные кислоты, а также минеральные удобрения получаются при химическом переделе минерального сырья. Металлы извлекаются из руды обычно в две стадии. На первой, называемой обогащением, руда дробится и из нее удаляют бесполезные минералы. При этом получается рудный концентрат с высоким содержанием металла. Затем из концентрата плавлением в металлургических печах или каким-либо другим способом, например электролизом, получают металл.

Обычно вещество твердого полезного ископаемого представляет собой целый агрегат различных минералов. В рудах, из которых извлекаются металлы, находятся ценные, или рудные, минералы — носители металлов. С ними вместе находятся не содержащие ценных элементов, или, как их иногда называют, жильные, минералы. Соотношение между рудными и жильными минералами может быть различным. Так, з кварцевых жилах количество золота составляет тысячные доли процента. Наоборот, богатые руды железа целиком состоят из рудных минералов, таких, как магнитный железняк.

В руде металлы редко встречаются в чистом виде, как, например, самородное золото. Чаще они входят в рудные минералы, имеющие различный химический состав. Так, железо, марганец, олово, уран, алюминий содержатся в руде в виде соединений с кислородом, т. е. в форме окислов. Медь, цинк, свинец, никель, сурьма, ртуть присутствуют в рудах в форме соединений с серой, или сульфидов. Магний добывают из его соединений с углеродом или из карбоната.

Не всякое скопление рудных минералов в недрах Земли можно считать месторождением полезных ископаемых. Скопление должно быть достаточно велико и содержать достаточно большое количество ценного минерала, чтобы оправдать его эксплуатацию, а также обработку и переработку ископаемых, требующих обычно крупных затрат на строительство рудников, перерабатывающих фабрик и заводов.

Количество минерального сырья в недрах Земли называется его запасами. Минимальные запасы полезного ископаемого и самое низкое содержание в нем ценного компонента, достаточные для промышленной разработки, называются промышленными кондициями. Они весьма различны для разных групп полезных ископаемых. Например, заслуживающее промышленной разработки месторождение железной руды, как правило, должно обладать запасами в десятки — сотни миллионов тонн при содержании железа в руде не ниже 20%. Между тем добыча золота целесообразна на месторождении с запасами в несколько сот килограммов при содержании его в руде 0,0005%.

Скопления полезных ископаемых в недрах Земли образуют тела различной формы. Среди них чаще всего распространены пласты и жилы; известны также штоки, гнезда, штокверки, трубы.

Пласты — это плоские тела, подстилаемые и перекрытые слоями осадочных пород — известняков, песков, глин. Обычно пласты полезных ископаемых занимают большую площадь. Например, пласты углей Донецкого бассейна вытянуты в длину на несколько десятков километров. Толщина, или мощность, пластов бывает разная. В угольных пластах Донецкого бассейна она небольшая — в среднем 0,7 м. Между тем пласты каменной соли в Соликамске на Урале достигают мощности до 500 м.

Жилы представляют собой трещины в горных породах, заполненные полезным ископаемым. Толщина (мощность) жил колеблется от нескольких сантиметров до десятков метров. Их длина иногда измеряется метрами, но в некоторых случаях они вытянуты на сотни километров, как, например, золотоносная Материнская жила в Калифорнии протяженностью 200 км. Пласты и жилы в недрах Земли могут залегать горизонтально, с наклоном под различным углом и даже вертикально.

Штоком называют крупное скопление полезного ископаемого, равномерно распространяющееся во всех направлениях. Известны штоки каменной соли или железной руды поперечником в один и более километров. Шток меньших размеров называется гнездом. Штокверк представляет собой массу горной породы, пронизанную тончайшими жилками и вкраплениями ценных минералов. Форму штокверка имеют некоторые месторождения меди, олова, молибдена, золота, асбеста. В форме труб и трубок, т. е. цилиндрических тел, уходящих в глубь Земли, залегают, например, скопления руд свинца, фторсодержащего минерала флюорита и др. Типичны кимберлитовые трубки с алмазами в Сибири и в Африке.

Тела полезных ископаемых различной формы встречаются как в виде индивидуальных залежей, так и группами, причем месторождение может состоять из одного или нескольких, иногда десятков и даже сотен чаще всего однотипных тел. От формы месторождения зависит и его поиск, разведка, а также способы добычи.

Пласт или жилу геолог прослеживает на большом расстоянии, стремясь не потерять. При разработке пластов каменного угля приходится обрушивать много пустой породы. А в крупном штоке каменной соли горные разработки выглядят как подземные сводчатые дворцы с белыми стенами.