Почему полезные ископаемые образуются в воде

Помимо поверхности континентов, человек в течение всей своей истории использует полезные ископаемые океана и моря.

До недавних времен главной областью эксплуатации было рыболовство, но в последние десятилетия важную роль в экономике некоторых приморских государств играет добыча нефти с морского дна в районе материковых окраин.

Человек использует соли, растворенные в морской воде. В настоящее время о запасах моря часто говорят, как о надежде человечества. Моря и океаны, покрывающие более двух третей поверхности земного шара, призваны поддержать энергетический, сырьевой и пищевой баланс увеличивающегося населения Земли.

Естественно, встает вопрос, реально ли это?

Что можно добыть с Мирового океана

Казалось бы само собой разумеющимся, что соль, которую употребляет человек, происходит из моря, но это не так.

Лишь третья часть поваренной соли получается путем испарения морской воды, остальная добывается на континентах или путем испарения соляного раствора — минерализованных вод, сопровождающих месторождения соли.

Итак, морская вода является химическим сырьем, но самое ценное, что из нее получают, не соль, а бром, используемый в первую очередь в фотографической промышленности, и магний. Из морской воды добывается более двух третей мирового потребления этих элементов.

Морская вода содержит и ряд других соединений, находящихся в растворенном состоянии. Время от времени в СМИ можно прочесть, сколько в ней находится урана или золота. Эти цифры действительно поражают.

Однако нас ограничивает в действиях тот факт, что мы пока не располагаем достаточным количеством энергии, чтобы наладить процесс их извлечения. Но ряд процессов проводит за человека сама природа.

Добыча тяжелых металлов с морского дна

Так, например, медь, марганец, кобальт, никель нет необходимости добывать из морской воды, поскольку эти металлы выпадают и кристаллизуются на дне океанских впадин в виде марганцовых конкреций. Это – образования величиной с орех, кулак или футбольный мяч, во множестве рассыпанные по дну Тихого и Атлантического океанов и состоящие из слоев окислов железа и марганца, кристаллическая структура которых легко связывает более тяжелые металлы, как никель, кобальт и медь.

Общее содержание полезных ископаемых океана в виде металлов в марганцовых конкрециях достигает 2,5%. Поэтому исследовательские корабли составляют карты морского дна, фотографируют его с помощью подводных камер, а ученые анализируют содержание металла в этих шаровидных образованиях.

Выявленное содержание металлов пока невелико, а расходы по добыче сырья со дна велики. Но надежды на источники сырья имеются, хотя о юридической стороне вопроса добычи со дна моря люди договариваются с трудом.

С большим успехом проводится добыча так называемых тяжелых минералов в прибрежных областях.

Вода сортирует минералы

Средневековые горняки, да и позже золотоискатели получали золото путем промывки речных наносов. Вода уносила из старательских сит более легкие силикатные минералы, а на дне оставались более тяжелые минералы. Когда посчастливилось, то и кусочки золота.

Морской прибой и сильные морские течения в ряде мест делали эту работу за человека.

Более тяжелые минералы, например, касситерит (оловянная руда), циркон (циркониевая руда), рутил (окисел титана), моназит (сложный фосфат с содержанием редкоземельных элементов) и даже алмаз высвобождаются из горных пород в процессе выветривания, а поскольку они более стойки, чем многие другие минералы (например, полевой шпат), вода уносит их в море. Там они сортируются как в старательском сите: более легкие, обычно силикатные и кварцевые материалы уносятся, а на пляже или на мелком морском дне остаются тяжелые, полезные фракции. Во многих местах в мире добываются минералы в переходных зонах от океана к материкам.

Однако полезные ископаемые океана и моря пока сложно извлечь или достать с морского дна с учетом получения прибыли. Но технологии улучшаются и, возможно, основные  источники сырья будут находиться в море.

Бóльшая часть всех химических элементов, в том числе и очень ценных, рассеяна в горных породах. Лишь очень незначительная часть их сосредоточена в месторождениях полезных ископаемых. Но хотя содержание элементов в горных породах низкое, их общее количество в земных недрах грандиозно.

Все полезные ископаемые по условиям их образования разделяются на глубинные и поверхностные. Глубинные месторождения называются эндогенными (от греческих слов «edo» — внутри, «geos» — происхождение), а поверхностные — экзогенными (греч. «ехо»— снаружи).

Глубинные, или эндогенные, месторождения формируются в результате внедрения в земную кору раскаленных подземных расплавов, или магм, и их застывания. Магма по трещинам проникает в горные породы. При этом только незначительная часть магмы в вулканах достигает поверхности Земли, образуя потоки лавы и скопления вулканического пепла. Большее количество магмы не доходит до земной поверхности и застывает на глубине, образуя глубинные кристаллические магматические породы, такие как гранит. Застывшие на глубине и на поверхности Земли магматические породы широко используют в качестве природных каменных строительных материалов.

Благодаря различию физических и химических свойств элементов в процессе остывания магматических расплавов в недрах Земли происходит их разделение и образуются скопления части химических элементов.

При остывании так называемых основных магм, содержащих в своем составе не более 50% окиси кремния, процесс разделения веществ в них идет подобно выплавке чугуна в домнах. При этом в скоплениях магмы, застывающих на глубине, кверху всплывают легкие породы, а на дно магматического резервуара опускаются тяжелые минералы. Эти тяжелые минералы образуют рудные магматические месторождения. Наиболее значительные из них – месторождения железа и титана, хрома и платины, меди и никеля. Близки к ним по своему происхождению и месторождения алмазов в кимберлитовых трубках Сибири и Южной Африки, но для их образования, кроме высокой температуры, необходимо огромное давление.

Совершенно иначе обособляются ценные минералы при застывании так называемых кислых магм, содержащих более 50% окиси кремния. В этих магмах повышенное содержание различных газов, в том числе паров воды. Газы растворяют многие химические соединения, особенно металлические, и не дают им выпадать в осадок на ранних стадиях остывания магмы. Поэтому условия для их концентрации создаются в самых поздних, не успевших полностью отвердеть остатках магматических расплавов. Часть таких остаточных расплавов магмы, насыщенных горячими газами и растворенными в них ценными элементами, внедряется по трещинам в горные породы и, остывая, образует так называемые пегматитовые жилы. Они состоят из кварца и полевого шпата, а иногда содержат накопления слюды, драгоценных камней (топаз, аквамарин и др.), минералов бериллия и лития, олова, вольфрама, урана.

Магматические газы с растворенными в них ценными соединениями не только накапливаются в остаточных очагах магмы, но также могут просачиваться через уже отвердевшие стенки. Так они проникают в окружающий остывающий магматический очаг породы. При этом между фильтрующимися раскаленными газами и окружающей породой могут возникнуть химические реакции. Особенно бурно они протекают между горячими магматическими газами и известковыми породами. В ходе таких реакций по периферии массивов остывающих магматических пород, в зоне соприкосновения их с известняками, возникают так называемые скарны. Они состоят из минералов, в состав которых входит известь, кремний и алюминий. Кроме того, в скарнах часто накапливаются минералы железа, меди, свинца, цинка, вольфрама, бора.

Но не все магматические газы реагируют на глубине с горными породами. Большая их часть вследствие высокого давления устремляется по трещинам и порам горных пород вверх, к поверхности Земли. При этом минерализованные пары постепенно охлаждаются, сжижаются и превращаются в горячие минеральные воды — гидротермы. Они продолжают подниматься по пористым водопроницаемым горным породам. По мере дальнейшего охлаждения горячих минеральных вод растворенные в них соединения ценных и других элементов выпадают в осадок. Заполняя трещины горных пород, они образуют жилы полезных ископаемых. Часть элементов гидротерм вступает в реакцию с минералами горных пород и отлагается, формируя залежи полезных ископаемых, замещающие эти горные породы. Такие месторождения, образованные отложениями горячих минеральных вод в недрах Земли, называются гидротермальными. С этой очень важной группой эндогенных месторождений полезных ископаемых связаны большие количества руд меди, свинца, цинка, олова, вольфрама и других ценных элементов.

Экзогенные месторождения образуются под действием геологических процессов у поверхности Земли. Они формируются в ходе длительных изменений горных пород по мере их перемещения из недр к поверхности Земли. Такие медленные или внезапные катастрофические подъемы отдельных участков земной коры происходили во все геологические эпохи и продолжаются в наши дни. У поверхности Земли горные породы под действием колебаний температуры и водных потоков механически разрушаются на мелкие и мельчайшие обломки. Под влиянием воды, кислорода и углекислоты они химически разлагаются, меняя свой состав. Продукты такого разрушения уносятся водными потоками в реки и, оседая на их дне, образуют хорошо известные речные месторождения гравия, песков и глин. При этом некоторые химически стойкие, неокисляющиеся, твердые и тяжелые минералы накапливаются в нижней донной части речных отложений, образуя россыпи. В россыпях могут концентрироваться только тяжелые минералы с удельным весом более 3. Поэтому именно в виде россыпей известны месторождения золота, платины, оловянного камня, вольфрамита и т. д.

Значительная часть минеральной массы, находящейся в речной воде в виде ила или в растворенном состоянии, выносится в моря и океаны. Масштабы такого выноса огромны. Так, Волга за год выносит в Каспийское море 25,5 миллионов тонн взвешенного в воде материала, Амударья в Аральское море — 215 миллионов тонн, Амазонка в Атлантический океан — около 1000 миллионов тонн. В океанах и морях минеральные вещества осаждаются и накапливаются на дне. Эти минеральные вещества поступают с континентов, под влиянием силы тяжести, в результате химического воздействия соленой морской воды или в связи с жизнедеятельностью морских организмов. Так создаются толщи пород осадочного происхождения, среди которых находятся пласты осадочных полезных ископаемых. Кроме таких общеизвестных осадочных пород, как пески, глины, известняки, распространены месторождения руд железа, марганца, алюминия, фосфоритов, угля и нефти.

На поверхности Земли образуются месторождения полезных ископаемых также в результате растворения и выноса части вещества грунтовыми водами, причем в остатке накапливаются трудно растворимые ценные минеральные соединения. Например, в породе, состоящей из соединений кальция и алюминия, кальциевые минералы могут растворяться и удаляться с водой, а в остатке накопятся соединения алюминия — бокситы — ценная руда для производства этого металла. Такие месторождения называются остаточными. Среди них, помимо бокситов, известны залежи железной руды, никелевой руды, фосфорных соединений.

Часть растворенного вещества может снова отложиться под землей из грунтовых вод, при их проникновении по проницаемым породам. Возникающие при этом месторождения так и называются инфильтрационными. Среди инфильтрационных известны месторождения никеля, меди, золота, урана.

Если горные породы и заключенные среди них месторождения полезных ископаемых погружаются в глубь Земли, на них действует давление залегающих на них толщ и внутренний жар Земли. Под их влиянием горные породы и полезные ископаемые изменяются, преобразуются в метаморфические, такие, как гнейс или кристаллический сланец. При этом могут возникнуть метаморфические месторождения полезных ископаемых («метаморфоза» — изменение). К ним относятся как ранее существовавшие, но подвергшиеся интенсивному изменению тела, так и возникшие вновь из-за метаморфизма. К таким принадлежат, например, месторождения мрамора, кровельных сланцев, слюды, графита, гранатов.

Нефть

По происхождению и химическому составу нефть близка к озокериту и природным горючим газам. Нефть залегает на глубине от нескольких десятков метров до 5-6 км вместе с газообразными углеводородами. На глубинах более пяти километров в основном залегают газовые и газоконденсатные месторождения, включающие небольшое количество легких фракций. Наибольшее количество залежей нефти лежит на глубине от одного до трех километров. При небольших глубинах залегания или при естественных выходах на поверхность земли нефть преобразуется в мальту, асфальт, битумы, битуминозные пески и др. образования.

Нефтеобразование – длительный и стадийный процесс формирования нефти из органического вещества осадочных пород (в соответствии с органической теорией происхождения нефти). Этот процесс может занимать от нескольких десятков до нескольких сот миллионов лет. Согласно абиогенной теории происхождения нефти, этот субстрат образовался на значительных глубинах из неорганического вещества в условиях высочайших температур и давлений.

Готовые работы на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость

Породы, заключающие нефть, обладают высокой пористостью и достаточной для добычи проницаемостью. Коллекторы – породы, в которых газы и жидкости могут свободно накапливаться и перемещаться. Главные коллекторы нефти – песчаники, пески, доломиты, конгломераты, известняки, а также другие горные породы, находящиеся среди слабопроницаемых пород (гипсы или глины). Коллекторами могут выступать изверженные или трещиноватые метаморфические породы, расположенные рядом с осадочными нефтеносными породами.

Исследование месторождений нефти показало, что образование нефтяных залежей предопределено разными структурными формами изгибов платов, литологическими особенностями пород, стратиграфическими соотношениями свит. Месторождения отличаются условиями их образования и типами структурных форм.

В зависимости от свойств, состава и степени подготовки существуют различные классификации нефти на типы, классы, виды и группы. В зависимости от физико-химических свойств выделяют нефти легкие, утяжеленные и тяжелые. Существует несколько классов нефти: парафиновый, парафиново-промежуточный, промежуточно-парафиновый, промежуточный, промежуточно-нафтеновый, нафтено-промежуточный и нафтеновый. Возможна генетическая, геохимическая, технологическая классификация нефти.

Подземные воды

В зависимости от условий залегания подземные воды подразделяются на:

1. Почвенные воды. Заполняют отдельные промежутки между фрагментами почвенного покрова. Могут свободно перемещаться под воздействием силы тяжести, или быть связанными, удерживаемыми молекулярными силами.
2. Грунтовые воды. Формируют водоносный горизонт на первом водоупорном слое (от поверхности). Уровень вод сильно зависит от сезона года: повышается после таяния снега или выпадения осадков, понижается в засушливое время года. Воды подвержены значительному загрязнению. Во время сильных морозов грунтовые воды могут промерзать.
3. Межпластовые воды. Нижележащие водоносные горизонты, которые заключены между соседними водоупорными слоями. Уровень вод более-менее постоянен, воды меньше подвержены загрязнению, чем грунтовые воды. Напорные межпластовые воды заполняют весь водоносный горизонт и пребывают под давлением.
4. Артезианские воды. Напорные подземные воды, расположенные между водоупорными слоями в водоносных пластах горных пород. Встречаются в границах определенных геологических структурах (мульд, впадин, флексур и т.д.). При вскрытии шурфом или буровой скважиной артезианские воды поднимаются над водоносным пластом, могут фонтанировать. Залегают на глубине от 100 метров до километра.
5. Минеральные воды. Воды, содержащие в большом количестве микроэлементы, растворенные соли, отдельные биологически активные компоненты.

В зависимости от движения подземных вод в водоносных слоях различают: воды, перемещающиеся в рыхлых слоях (гравийных, песчаных, галечниковых) и в трещиноватых скальных породах.

В зависимости от характера пустот, вмещающих воды пород и природы залегания, все подземные воды делят на:

• поровые – циркулируют и залегают в четвертичных отложениях (галечниках, песках и других обломочных породах);
• трещинные, или жильные – циркулируют и залегают в скальных породах (песчаниках, гранитах);
• карстовые (трещинно-карстовые) – циркулируют и залегают в растворимых породах (доломитах, известняках, гипсах и др.).

Общие запасы подземных вод составляют более 60 млн. куб. км.

Минеральные воды

Питьевые минеральные природные воды – это воды, добытые из водоносных комплексов и водоносных горизонтов, которые защищены от негативного воздействия человека и сохраняют естественный состав. Питьевые минеральные воды относятся к пищевым продуктам. При повышенном содержании биологически активных компонентов или при повышенной минерализации оказывают лечебно-профилактическое действие.

У разных исследователей критерии, по которым воды относят к минеральным, могут значительно отличаться. В России к минеральным питьевым водам относятся воды с минерализацией не меньше 1 г/л, включающие биологически активные компоненты в объемах, не ниже бальнеологических.

В зависимости от общей минерализации различают следующие типы минеральных вод:

• пресные;
• слабоминерализованные;
• маломинерализованные;
• среднеминерализованные;
• высокоминерализованные.