Тектонические структуры и рудные полезные ископаемые
Вспоминаем. Что такое платформа, и
какое она имеет строение?
Какая тектоническая структур
называется складчатым поясом, и чем она характеризуется?
Какие группы горных
пород выделяют по происхождению?
Узнаем. О географии размещения основных видов
минеральных ресурсов.
Как размещение месторождений минеральных ресурсов связано с тектоническим строением
Земли.
Размышляем.Могут ли быть найдены
новые крупные месторождения полезных ископаемых на
Земле?
Земная кора богата полезными ископаемыми.
В настоящее время в своей хозяйственной деятельности человек использует более 200 видов минеральных ресурсов. Однако
следует помнить, что минеральные
ресурсы обладают некоторыми
особенностями. Во-первых, как вы уже знаете, все минеральные
ресурсы относятся к категории исчерпаемых
и невозобновляемых, а потребление
их человеком с каждым годом увеличивается.
Во-вторых, их разнообразие и запасы в
различных регионах мира
неодинаковы. Это объясняется зависимостью
размещения месторождений
различных видов минеральных ресурсов от тектонического
строения Земли (рис.1).
Рис.1. Виды минеральных ресурсов по использованию и их связь с
тектоническим строением.
10.1. География месторождений
топливных ресурсов. Наиболее значимыми топливными минеральными ресурсам являются уголь, нефть и газ. Они имеют
осадочное происхождение, поэтому их месторождения приурочены к осадочным чехлам платформ.
Бассейн – это область
непрерывного или почти
непрерывного распространения
осадочных
полезных ископаемых.
В составе бассейна может
быть несколько месторождений .
Уголь – первое из полезных
ископаемых, используемых человеком в качестве топлива.
Его формирование происходило в тектонических прогибах из накопленной растительности (древовидных папоротников, хвощей
и плаунов, а также первых голосеменных растений) на протяжении длительного геологического времени при высоком
давлении и температуре. Уголь занимает
наибольшую долю среди топливных ресурсов. Так, примерно 15% суши занято под угольными бассейнами, а их количество составляет более 3 600.
Большая часть угольных
бассейнов расположена
в северном полушарии (рис. 2).
Рис.
2. География месторождений угля.
В Азии, Северной Америке
и Европе сконцентрированы
10 самых крупных
угольных бассейнах мира (таблица 1).
Десять крупнейших угольных бассейнов мира. Таблица 2
Лидерами по запасам этого полезного ископаемого являются США, Россия, Китай. На долю этих стран приходится половина мировых
запасов угля. Кроме этого, значительными запасами этого топливного ресурса обладают: Австралия, Индия, Германия, Украина, Казахстан.
Вплоть до 60-х годов уголь оставался самым используемым источником энергии. Лишь в конце
прошлого века его заменили другие энергоносители. Однако и сейчас он
активно используется в металлургической
промышленности при выплавке чугуна.
Важнейшем видом топлива
в настоящее время является
нефть. Это достаточно распространенное полезное ископаемое
и добывается на всех материках (рис. 3). Нефтегазоносных бассейнов
в мире насчитывается около 600, а общее количество нефтяных месторождений составляет более 50 тысяч.
Нефтегазоносные
провинции обычно приурочены к платформам,
а также они часто расположены в межгорных прогибах и впадинах. В последние десятилетия месторождения нефти
открыты в прибрежных зонах морей. В настоящее время почти треть
добываемой нефти и газа извлекается с шельфа океана.
Нефтегазоносными провинциями называют территории, которые объединяют
собой несколько
нефтегазоносных областей
и относятся к одной
или нескольким крупнейшим тектоническим
структурам.
Самые большие запасы
нефти сосредоточены в Азии. Крупнейшими в мире нефтегазоносными провинциями являются район Персидского залива (Саудовская Аравия, Кувейт, Ирак, Иран, Объединенные Арабские Эмираты), а также Западно-Сибирская нефтегазоносная провинция (Россия).
Рис. 3. География месторождений нефти и газа.
В Европе огромные запасы нефти были открыты на дне Северного моря. Главными нефтедобывающими странами этого региона является Великобритания и Норвегия.
Два крупных нефтяных
района находятся в Африке.
На побережье
Гвинейского залива в Западно-Африканской провинции добывают нефть Нигерия и Габон, а в северной части Сахары – Алжир, Ливия, Египет.
Большими запасами нефти обладают Северная
и Южная Америка. Одним из крупнейших месторождений этого региона является нефтегазоносный бассейн
Мексиканского залива.
Главные нефтедобывающие страны здесь
США, Венесуэла,
Бразилия, Эквадор. На побережье Северного Ледовитого океана, а также во
внутренних частях
материка добывают нефть США и Канада.
Странами-лидерами по разведанным запасам
нефти в мире являются Саудовская
Аравия, Венесуэла, Канада, Иран,
Ирак.
Природный газ имеет родственное происхождение с нефтью, поэтому очень часто их месторождения расположены рядом
и называются нефтегазоносными.
Наиболее крупные месторождения сосредоточены в 15 странах
мира. Среди них
лидерами по разведанным запасам газа
являются Россия, Иран, Катар, Туркменистан, Саудовская Аравия.
10.2.
География месторожденийрудных ресурсов. Железо – одиз из
наиболее распространенных
элементов в составе земной коры, поэтому месторождений железнных руд много. Основные
месторождения железных руд приурочены
к кристаллическому фундаменту древних платформ, а также к складчатым областям.
Например, месторождения железных руд в Хибинах
расположены в местах выхода на поверхность Балтийского кристаллического щита
Восточно-Европейской платформы. В районе Воронежского кристаллического щита этой же платформы на Средне-Русской возвышенности находитсяКурская магнитная аномалия. В Уральских горах, возраст которых более
300 млн лет, месторождения встречаются в районах тектонических разломов. Поэтому отдельные
месторождения занимают
сотни квадратных километров.
Содержагние железа в руде колеблется от 16 до 72 %. Железные
руды делятся на богатые (60-65 % железа), средние
(45-60 %) и бедные – менее 45 % содержания железа. По составу рудных минералов,
железные руды делятся на магнетитовые (магнитный железняк), гематитовые (красный железняк), лимонитовые (бурый железняк), сидерытовые (шпатовый железняк). Наиболее богатые железом
магнетитовые железняки. В Беларуси лимонитовые руды известны
как болотная руда.
Наиболее известные
месторождения железных руд размещены равномерно по земному шару. Крупные месторождения железных руд Европы:
Курская магнитная аномалия (Россия), Криворожское
месторождение (Украина), Кирунавара
(Швеция), Латарингский железно-рудный бассейн (Франция,
Люксембург, Бельгия). В Северной Америке крупнейшими являются Лабрадор-Сити, Ньюфаундлендское
месторождение (Канада),
Верхнего озера (США), а в Южной – месторождения
Каражас и Итабира (Бразилия). Большие
запасы железной руды разведаны в Индии,
Китае и на территории
Австралии.
Страны-лидеры по запасам железных руд:
Австралия, Бразилия, Россия, Китай,
Индия.
С глубокой
древности человеком используется медь. В мире известно около 200 горных пород, в которых сордержится медь. Однако целесообразно
добывать медь только в 17 из них. Медные руды
содержат медь от 1 % и выше. Одновременно
из медных руд добывают и другие металлы, например никель.
В природе известны также и
местрождения самородной меди
(Чили, США, Канада, Конго,
Перу).
Месторождения меди образуют два «медных пояса».
Первый, «медный пояс»
находится на территории
Африки (Демократическая Республика
Конго, Замбия).
Второй «медный пояс»
протянулся вдоль тихоокеанского побережья Америки в
Кордильерах и Андах (Чили,
Перу, США, Мексика, Канада).
Страны-лидеры по запасам медных
руд: Чили, Австралия, Перу, Мексика,
США.
Алюминий – самый
распространенный металл в земной коре. К алюминевым рудам относят
несколько горных
пород: бакситы, алуниты и нифелины. Самое
высокое содержание алюминия в
бокситах (40-45 %).
Основные месторождения алюминиевых руд расположены в тропических широтах. Через Бразилию, Суринам, Гайану и Ямайку протянулся «алюминиевый пояс» Страны-лидеры
по запасам алюминиевых руд: Гвинея, Австралия, Бразилия, Вьетнам, Ямайка.
Обобщим
и запомним. Размещение минеральных ресурсов зависит от
тектонического строения
Земли. Топливные ресурсы имеют осадочное происхождение, поэтому их месторождения приурочены к осадочным
чехлам платформ. Месторождения рудных ресурсов приурочены к кристаллическому фундаменту древних платформ, а также к складчатым областям. Лидерами по разведанным запасам
топливных ресурсов являются: угля – США, Россия,
Китай, нефти – Саудовская Аравия, Венесуэла, Канада, газа – Россия,
Иран, Катар.
Лидерами по разведанным запасам
рудных ресурсов являются:
железных руд –
Австралия, Бразилия, Россия,
медных руд Чили, Австралия,
Перу; алюминиевых руд
– Гвинея, Австралия, Бразилия.
Проверим себя:1. Приведите примеры топливных, рудных и нерудных минеральных ресурсов. 2. К каким тектоническим структурам приурочены
топливные полезные ископаемые,
а к каким – рудные? 3. Почему большая часть угольных
бассейнов расположена в северном полушарии? 4. В каких районах Земли открыты новые
нефтегазоносные месторождения. 5) Почему крупнейшие рудные
месторождения образуют «пояса»?
От теории
к практике. 1. Назовите
и покажите на карте: 1) крупнейшие угольные бассейны; 2) крупнейшие нефтегазоносные провнции; 3) крупнейшие месторождения железных руд. Приведите примеры
стран-лидеров по разведанным запасам
топливных и рудрых полезных ископаемых, покажите их на карте.
Обсудим: Почему нефть называют «черным золотом»?
Для любознательных: Почему некоторые страны мира, обладая собственными запасами минеральных ресурсов, покупают
их у других стран.
Нельзя представить жизнь человека без металлических предметов – техника, посуда, здания, все это изготовлено благодаря постоянному производству. Но где этот процесс берет свое начало? Изначально, для получения сырья, используются минеральные руды, которые добываются в карьерах и шахтах.
Руда – это минеральные ресурсы, которые имеют в составе большое количество металлов. Из нее выплавляют сплавы, которые в дальнейшем используются в производстве. Внешним видом они напоминают камни, на которых есть блестящие вкрапления. Некоторые люди даже не догадываются, как выглядит стальная ложка, прежде чем она попадает в плавильные печи для переработки руды. Полезные ископаемые залегают глубоко под землей, поэтому их добывают шахтным и карьерным способом.
Какие существуют виды рудных ископаемых
В мире насчитывается более 200 категорий металлической руды, по типу превалирующего компонента, но ученые выделили обширную классификацию. Она меньше, поэтому пользоваться ей намного удобнее.
Стандартная классификация видов металлических руд, которая общепринята всеми странами выглядит так:
- Черные
- Цветные
- Драгоценные
- Редкие
Еще есть классификация по насыщенности – богатые и бедные. Она считается по количеству металлической части в руде. В железной – богатые от 50%, бедные от 20%. Цветные металлы добывать намного сложнее, а богатыми породы считаются от 6%. Бедные полезные ископаемые относятся к нерудным, ведь порода может оказаться источником силикатов, кремния или серы.
Цветная металлургия – одна из самых опасных для экологии Земли. Во время производства в воздух выбрасывается огромное количество вредных химических веществ, поэтому такие предприятия располагаются в дали от городов.
Железная руда – основа основ
Железная руда – это горная или вулканическая порода, которая имеет в своем составе большое количество метала, а ее переработка на производстве выгодна. Другими словами, если в камне меньше 20% железа, он не может считаться металлической рудой. Ее используют для выплавки металлов – стали, чугуна, сплавов.
Образуется железная руда тремя путями:
- Магматический;
- Метаморфизм;
- Осадочный.
Первый объясняется тем, что во время извержения вулканов, металлы расплавляются и смешиваются с горными породами, а вследствие текучести магмы, они вырываются на поверхность и застывают. Большинство примесей, которые имеют низкую огнеупорность, выгорают при высоких температурах, поэтому процент содержания железа в таких рудах очень высокий. Магматические полезные ископаемые – самые распространенные в мире, их месторождения находят в окрестностях вулканов, что потухли еще несколько тысячелетий назад.
Метаморфический процесс – это тоже следствие высоких температур. Вещества, которые находятся на большой глубине, подвергаются воздействию давления и нагревания, в результате чего, их кристаллическая структура меняется. Пласты, где залегают рудные полезные ископаемые, выходят на поверхность во время движения тектонических плит. Также, горные образования, под которыми залегают полезные ископаемые, со временем разрушаются, что облегчает добычу ценных материалов.
Главную роль в осадочном процессе образования железной руды играют ветер и вода, вод воздействием которых хрупкая горная порода вымывается, остаются только металлические костяки – железняк. Процентное содержание металла в этой руде самое большое, но, встречается он намного реже.
Подобный механизм осаждения имеет и золото, которое вымывалось из горной породы проточными водами. Этот процесс стал причиной золотой лихорадки в США. Сейчас небольшие страны занимаются подобным способом добычи драгоценного метала.
Добывать руду в промышленных масштабах начали еще до нашей эры. Этот процесс археологи отслеживали очень долго. Изначально, человек научился обрабатывать изначально бронзовую руду, затем железную и драгоценные металлы.
Добыча рудных полезных ископаемых позволила человеку развивать технологии, оружие, строительство и другие сферы.
Современное производство металла из руды
Руда представляет собой камень, в котором большое количество силикатов. Чтобы отсортировать богатые камни и пустую породу, используют электромагнитный сепаратор. Для отделения метала от руды, она дробится на мелкие части и обрабатывается химикатами. Этот процесс называется обогащением.
Очистка руд черных металлов
Есть несколько способов очистить руду – магнитными устройствами, кислотами, вибрационным методом, но сейчас, чаще всего используют флотацию. Для этого используют тяжелые жидкости и суспензии. Сосуд, куда помещается измельченная руда, наполняется раствором, и через него подается большой напор воздуха под давлением, в результате чего, металл с пеной поднимается вверх, а пустая порода осаждается на дно. Для выплавки металла из руды необходимы высокие температуры, в которых сгорают мелкие частички породы.
Это самый простой и быстрый способ обогащения, он не требует большого количества операций, и относительно дешевый. Получившиеся металлические частицы расплавляют в доменных или сталеплавильных печах, делая заготовки для дальнейшего использования в производстве.
Существует и нехимическая очистка – в вибрационных бункерах, где с помощью больших частот колебания, разрушается горная порода, превращаясь в песок она просыпается сквозь сито, а на поверхности остаются частички металла. Но это не всегда помогает полностью отделить породу от железняка, поэтому его комбинируют с химическим методом.
В доменных печах выплавляются чугунные заготовки для производства, чтобы из него получилась сталь, к нему добавляют примеси других сплавов, металлолом.
Обычно, заводы располагают в местах, где залегают полезные ископаемые, чтобы не терять время на перевозку.
Очистка руд цветных металлов
Цветные металлы намного реже встречаются в природе, по сравнению с черными. Их можно разделить на тяжелые (медь, бронза, свинец, никель, цинк, кобальт) и легкие (титан, алюминий, магний).
Один из самых распространенных примеров полезных ископаемых – алюминий. Бокситы и нефелиновые руды, они обрабатываются, в результате чего образуется глинозем – белый порошок, похожий на крахмал. Его химический состав – Al2O3. Чистый алюминий получают методом электролиза, когда под воздействием направленного тока, молекула преобразуется в катионы – Al+ и O-. Они оседают на противоположно заряженных электродах, в результате чего и получается чистый алюминий.
Извлеченный из глинозема металл, заливают в миксер, где происходит его смешивание с другими материалами, для придания ему нужных пластических свойств. Из полученного состава отливают алюминиевые чушки, которые отправляются на различные производства для дальнейшего использования.
Медь выделяется из медносульфидного концентрата, добываемый на рудниках. В его состав входит огромное количество металлов. Для отделения чистого материала, на металлургических предприятиях, используют пиротехнологии, которые предусматривают применение высоких температур. Механизм получения меди не отличается от переработки черной руды – используется метод осаждения – фторирование. В дальнейшем, концентрат отправляется на завод, где и происходит его дальнейшее очищение от примесей. Его переплавляют под воздействием высоких температур, для получения черновой меди.
Более чистый продукт получают путем электролиза.
После этой процедуры остается шлам, который содержит в себе небольшие частицы драгоценных металлов (платина и золото). Этот продукт также перерабатывают, для получения чистого сырья, но их концентрация в отходах незначительная.
Более редкие металлы получают чаще всего химическим и электролитным путем. Они относятся к рудным полезным ископаемым, но их извлечение – сложный процесс. Например, титан. В природе он встречается только в виде химических соединений, черной руде и других горных породах. Материал, в котором содержится титан называется ильменит, в его состав входит и оксид железа, отделить от которого сырье достаточно сложно. Изначально, он отправляется в плавильные печи вместе с углем, где и происходит разделение смеси на чугун и диоксид титана.
Для его разделения проводят хлорирование, в результате чего, получают тетрахлорид титана, это соединение уже не такое прочное, как с кислородом, поэтому из него легко получить чистый метал. Делают это с помощью магния – реакция называется восстановление. В процессе производства получается титановая губка, которая переплавляется на производствах для изготовления деталей самолетов, ракет и других деталей.
Мировые запасы руды
Руда, которая содержит металлы, очень важна для производства и технического прогресса человечества. По подсчетам ученых, на сегодняшний день в Земле содержится около 800 миллиардов тон железной руды. 80% всех залежей содержат бедные руды, в которых небольшое количество металла, а процесс их переработки достаточно трудоемкий.
Насчитывается несколько стран, на территории которых расположены богатые рудники. Например, в Китае – 8% от всего мирового запаса.
Одни из самых богатых стран – Россия (18%), Бразилия (17%), Австралия (14%), Украина (11%). Несмотря на эти цифры, Китай является бесспорным лидером производства черных металлов. Количество цветных металлов гораздо меньше, а их распространение подсчитывают по поясам – это большие бассейны, которые вытянуты на сотни километров.
Алюминиевых рудных ресурсов больше всего в Южной Америке и Австралии. Медные находятся в окрестности Кольдирьеров и Анд, поэтому мировое первенство по добычи этого метала принадлежит Чили. Второй по размерам пояс находится в Африке, на территории Замбии. В основном рудные полезные ископаемые залегают в местах высокой тектонической активности, изучая которые, аналитики проводят поиски новых месторождений. Россия в этом списке стоит на третьем месте.
Карта рудных полезных ископаемых составляется на основе аналитических исследований. Ученые изучают географические и исторические данные местности, оценивают близость к тектоническим разломам. Чаще всего, большие пласты скоплений руды находят в местах вулканической активности, где магма выходила на поверхность, вынося с собой огромное количество расплавленных металлов. При застывании они остались сверху, что облегчает добычу полезных ископаемых.
Добыча металлов иногда вредит экологической системе земли. Например, при закрытии медного карьера в США, его затопило водой, которая смешалась с химикатами, и является опасной для жизни. В окрестностях нет животных, там живут только устойчивые водоросли, которые адаптировались к агрессивной среде.
Рудные и нерудные полезные ископаемые постепенно истощаются, поэтому ученые разрабатывают новые способы получения сырья для производства. Некоторые редкие металлы синтезируют посредством воздействия химических элементов, но их количество уступает карьерному и шахтному способу добычи.