Середній склад земної кори. Поняття про кларки

Вступ

Дніпропетровськ

Володимир Манюк

Курс лекцій з дисципліни

Геологія родовищ корисних копалин

Серед великого кола геологічних дисциплін вчення про корисні копалини, як раніше називали дисципліну, належить провідна роль. Не скільки не зменшуючи значення стратиграфії, геотектоніки, петрографії, геохімії і багатьох інших, слід визначити, що кінцевою метою будь-яких геологічних досліджень є відкриття і залучення до розробки різноманітних корисних копалин. Мінерально-сировинні ресурси відносяться до однієї з головних складових господарської та побутової діяльності людини. Забезпеченість мінеральними ресурсами слугує залогою успішного науково-технічного прогресу будь-якої держави світу.

Зростаючі темпи видобутку корисних копалин, потреба у виявленні значних додаткових ресурсів, зосереджених у великих і високоякісних родовищах, у нових видах мінеральної сировини, вимагають подальшого розширення та поглиблення геологічних досліджень.

З кожним роком зростає глибина видобутку, залучаються до видобутку все більш бідні руди, зростає комплексність переробки мінеральної сировини. Наприклад, на найглибшій в світі золоторудній шахті Таутона у Південно-Африканській республіці (Вітватерсранд), глибина видобутку у 2007 році досягла глибини 3778 м, що зафіксовано у Книзі рекордів Гіннеса. Тому і задачі геологічної служби не спрощуються, як можна було б очікувати, а ускладнюються. Відповідно і вчення про корисні копалини прогресивно розвивається і набуває все більшого значення серед фундаментальних наук геологічного циклу.

Головною задачею курсу є вивчення закономірностей утворення і поширення у земній корі скупчень мінеральної сировини з промисловим вмістом корисних компонентів у кількості, яка економічно виправдовує видобуток і переробку їх з метою використання у промисловості. Знання цих закономірностей має важливе значення для раціонального спрямування пошукових та розвідувально-експлуатаційних робіт. При вивченні дисципліни слід керуватися наступними визначеннями та головними поняттями.

К о р и с н о ю к о п а л и н о ю називається природне мінеральне утворення, яке може бути використаним промисловістю або з якого можна вилучити метали чи мінерали з метою їх промислового освоєння. Корисні копалини можуть знаходитися у надрах у твердому, рідкому або газоподібному стані.

Р о д о в и щ е м к о р и с н о ї к о п а л и н и називається ділянка земної кори, у якій внаслідок певних геологічних процесів відбулося нагромадження мінеральної сировини, придатної за якістю, кількістю та умовами залягання для промислового використання. За промисловим використанням родовища корисних копалин поділяють на рудні або металічні, нерудні або неметалічні, горючі або каустобіоліти та гідромінеральні. Відповідним чином побудований і курс лекцій, який складається з чотирьох блоків, кожний з яких можна розглядати як окрему дисципліну:

1. загальні відомості про корисні копалини та генезис родовищ;

2. металічні корисні копалини;

3. неметалічні корисні копалини;

4. горючі корисні копалини.

Мінеральна сировина використовується як безпосередньо промисловістю, без попередньої обробки, так і для вилучення з неї необхідних природних хімічних сполук чи елементів.

Р у д о ю називають мінеральний агрегат, з якого технологічно можливо та економічно вигідно вилучати метали, з’єднання металів або мінерали з метою їх використання для потреб промисловості. Змінення техніки і технології, їх вдосконалення, а також змінення економічних умов зумовлює залучення до використання нових видів корисних копалин та все більш бідних родовищ, які раніше не відповідали вимогам промисловості за певними параметрами або кондиціями.

1. Короткий історичний нарис.

Розвиток матеріальної культури людства неможливий без освоєння корисних копалин. Вже первісна людина використовувала певні породи та примітивні вироби з них у якості знаряддя праці, полювання та прикрас.

У палеоліті та мезоліті (приблизно в інтервалі часу 1 млн.років – 6 тис. років) використовувалися тільки уламки гірських порід, серед яких переважав кремінь та використовувалися інші міцні породи: обсидіан, кварцит, кварц, сланці, андезити та інші

Починаючи з неоліту (4 – 3 тис. років тому) відомі знахідки зліпленого з глини посуду, а трохи пізніше – гончарного посуду з використанням обпалення. Одним з перших металів, який використовувався людиною, було золото, знахідки якого датуються 12 тис. років до н.е. У бронзову добу винайдено спосіб отримання сплавів деяких металів: олова з міддю (саме цей сплав визначив назву доби), міді з цинком (латунь), міді із сріблом (мельхіор) та інші. Археологами знайдено немало свідчень видобутку і переробки корисних копалин у доісторичні часи. І це тільки у далекому Китаї, Індії, Єгипті, але й на теренах України – у Закарпатті, Кривому Розі та інш.

У наступну, залізну добу, наші предки навчилися виплавляти залізо, спочатку з так званих болотних руд, а пізніше і з руд іншого походження. Це не тільки визначило «залізну добу» у історії людства, але й сприяло стрімкому прогресу його розвитку. Вважається, що перший досвід отримання заліза з руди був отриманий у Месопотамії у 2 тис. до н.е., тоді як в інших країнах це сталося на початку нової ери.

Перші уявлення про умови утворення родовищ корисних копалин висловлюються давніми грецькими філософами Фалесом та Гераклітом. Фалес вважав воду першоджерелом всього живого та мертвого і його можна вважати засновником нептунізму. Геракліт стверджував, що основою всього земного є вогонь і його слід розглядати як прабатька плутоністів. Саме у боротьбі цих напрямків зароджувалося вчення про корисні копалини.

Серед дослідників родовищ корисних копалин середніх віків видатною фігурою був Агріколла, який вивчав родовища, гірничу справу та металургію Рудних Гір. На початку ХVІ ст.. він склав опис умов розробки родовищ корисних копалин, класифікував родовища за формою, виділяючи прості та складні жили.

Протилежними були уявлення Рено Декарта, який вважав що рудна речовина видобувається з надр Землі ін’єкціями та розчинами з розплавленого ядра і відкладається у оболонці Землі, що охолола. З подальшим накопиченням знань та практичного досвіду стало очевидним поєднання нептунізму і плутонізму. Стало очевидним, що існують як родовища, створені магматичними процесами у надрах Землі, так і сформовані під впливом зовнішніх геологічних умов на поверхні Землі. Першим до цього дійшов великий Михайло Ломоносов, пізніше подібної точки зору дотримувався французький вчений Елі де Бомон (середина ХІХ ст.), але їх погляди ще не були сприйняті належним чином.

Певною мірою ідеї М.Ломоносова і Елі де Бомона відроджуються у працях А.П.Карпинського (1883, Росія), Ф.Пошепного (1893, США), І.Фюхта, В.А.Обручева, С.С.Смирнова та інш. вчених, якими послідовно формувалася сучасна теорія рудоутворення.

У Стародавній Русі про переробку залізних руд згадується в Угоді князя Ігоря (944 р.), Руській правді Ярослава (ХІ ст..), літописі Нестора (ХІІ ст..), у Руському хронографі (ХV ст.).

У літописах князя Святослава 1137 р. згадуються знамениті соляні варниці у Центральній Росії: Перм, Тотьма та інші. Саме там, вперше на Русі, уже в ХV ст., для видобутку солі використовувалися бурові свердловини.

У 1584 р. у Москві було створено «Государів приказ Кам’яних справ», який мав забезпечити будівельними матеріалами спорудження палаців, храмів і фортець. До цього пошуки та розвідку родовищ на Русі здійснювали «рудознавці». Це були династії досвідчених фахівців пошукової справи, які передавали своє вміння по певних прикметах шукати ті чи інші руди.

Подальший розвиток гірничої промисловості і вчення про корисні копалини пов'язаний з діяльністю двох особистостей – Петра І та М.Ломоносова. Це період зміцнення держави, політичного і економічного піднесення, суттєвого зростання попиту на руди і метали.

Великий реформатор, подорожуючи за кордоном у 1697-1988 р.р. знайомиться з плавкою срібла у Саксонії, з колекцією руд і мінералів у Польщі, Німеччині, Данії, Голландії та Англії. Він оглядав родовища у Величці, заліза під Тулою, вугілля Донбасу і все записував у особливий зошит «Про пізнання всіляких руд».

У 1700 р. Петром І був створений «Приказ рудокопних справ», реорганізований через 17 років у Державну Берг-Колегію. У 1718 р. відбулося відкриття знаменитої Кунсткамери з експозицією, присвяченою мінералогічній колекції Петра І, яку він придбав за кордоном.

Після заснування у 1725 р. Академії наук значно збільшився обсяг робіт з пошуків родовищ корисних копалин. Тільки на Уралі у 1699 р. діяли 106 пошукових загонів.

Зародженню науки про корисні копалини сприяли твори видатних просвітителів того часу В.Геніна та В.Татіщева. В.Генін, автор першого Гірничого статуту, 20 років керував гірничими заводами Олонець кого краю на Уралі (до 1780 р.), В.Татіщев, автор першої «Історії Російської», управляв заводами на Уралі і склав ґрунтовний опис природи та корисних копалин Уралу.

Та найбільший поштовх до розвитку науки про мінеральні родовища зробив М.Ломоносов (1711-1765 р.р.), який у листі до В.Татіщева зізнавався, що головною справою його життя є гірнича наука.. Про це свідчать і його твори: «Проект собрания минералов», «Слово о рождении металлов от трясения Земли», «Первые основания металлургии». Важливим етапом становлення науки про корисні копалини та розвитку гірничої промисловості стало відкриття у 1773 р. Санкт-Петербургзького гірничого училища (зараз гірничий інститут). В цей час поряд з розвитком гірничої справи на Уралі з'являються нові райони гірничого видобутку: Алтай, Західний Сибір, Забайкалля. За видобутком багатьох видів мінеральної сировини Росія виходить на перше місце в світі.

У зв’язку із розвитком капіталізму у Росії відбувається подальший прогрес геологічних досліджень. Центр гірничої промисловості переміщується на південь Росії, в Україну. Тут, на базі залізних руд Кривого Рогу, марганцевих руд Нікопольського родовища та вугілля Донбасу утворюється потужна металургійна промисловість. Виникла потреба систематичного вивчення геологічної будови Росії та її мінеральних багатств привела до створення у 1882 р. Геологічного Комітету (Геолкому).

З діяльністю Геолкому, його видатних геологів, пов'язана унікальна історія надзвичайного піднесення геологічних знань та безлічі геологічних відкрить. У Геолкомі працювали такі легендарні особистості як: В.А.Обручев, М.Усов (Сибір); О.Карпінський, М.Висоцький (Урал); Г.Абіх, М. Андрезсов, І.Губкін (Кавказ); І.Мушкетов (Тянь-Шань), Г.Гельмерсен, Л.Лутугін, П.Степанов (Донбас); В.Домгер, В.І. Лучицький, Б.Л.Лічков (Україна).

В цей час (кінець ХІХ початок ХХ ст.) зароджується і розвивається геологічне картування, як головний метод вивчення геологічної будови та корисних копалин.

У Радянський період загальне централізоване керівництво геологічних досліджень здійснює Міністерство Геології СРСР. Це період бурхливого розвитку усіх галузей геологічної науки, великих звершень і відкриття численних родовищ найрізноманітніших корисних копалин.

Розвиток вчення про корисні копалини в цей період пов'язаний з іменами таких видатних вчених як: А.Бетехтін, Ю.Білібін, О.Гінзбург, О.Заварицький, В.Обручев, С.Смирнов, М.Страхов, П.Татарінов, О.Ферсман, Я.Бєлєвцев та інші.

Для безпосередніх досліджень, з урахуванням рельєфу земної поверхні, доступні лише 15-20 км верхньої частини земної кори. Американський геохімік Ф.Кларк вперше підрахував середній вміст деяких елементів у земній корі і надрукував результати досліджень у 1889 році. Його ім'ям, за пропозицією видатного російського геохіміка О.Є.Ферсмана, названо середні значення елементів у земній корі – «число кларка», або просто кларки.

Ф.Кларк підрахував, що земна кора до вказаної глибини складається на 95% різних магматичних порід та 5% осадових (серед останніх: глинястих сланців – 4%, пісковиків – 0,75%, вапняків – 0.25%).

Дані Ф.Кларка пізніше перераховані за новими даними О.Ферсманом та О.П.Виноградовим, наведені у табл. 1

№ з/п	Елемент	Середній склад земної кори за О.Виноградовим
	Кисень	47,00
	Кремінь	29,5
	Алюміній	8,05
	Залізо	4,65
	Кальцій	2,96
	Натрій	2,50
	Калій	2,45
	Магній	1,87
	Водень	1,0
	Титан	0,45

На ці 10 елементів, за підрахунками О.Виноградова, приходиться 99,58%, а на решту лише 0,42% від усього складу земної кори.

Ступінь поширення елементів у земній корі суттєво різна. Найбільш поширені елементи з меншим атомним номером.

3. Міграція елементів у земній корі.

Хімічні елементи приймають участь у різноманітних формах міграції у земній корі при різноманітних геологічних процесах. Міграція відбувається головним чином у рідкій і газоподібній фазах.Перш за все вона має місце при переміщенні речовини з верхньої мантії у земну кору. У широких масштабах міграція елементів здійснюється у магматичних розплавах та їх диференціатах. Особливо інтенсивна міграція здійснюється пост магматичними газовими і рідкими розчинами (пневматолітовими і гідротермальними). Суттєве і різноманітне переміщення елементів відбувається при метаморфічних процесах. Крім того, міграція хімічних елементів відбувається у велетенських масштабах при різноманітних екзогенних процесах, особливо пов’язаних з циркуляцією поверхневих і підземних вод.

Різноманітні процеси міграції елементів приводять переважно до розсіювання хімічних елементів у земній корі і лише в не багатьох випадках до їх концентрації у вигляді родовищ корисних копалин. Стан розсіювання, відповідно, є більш звичним для хімічних елементів, ніж стан концентрації. Виходячи з цього можна дати наступне визначення поняттю родовища. Родовище корисних копалин являє собою місцеву концентрацію тих чи інших з'єднань елементів або самих елементів у окремих ділянках земної кори.

Тож, однією з головних задач геологів є з'ясування тих геологічних та фізико-хімічних умов, за яких у земній корі виникають ті або інші концентрації елементів, тобто родовищ корисних копалин.

Дата добавления: 2014-01-07