منابع معدنی و ذخایر انرژی
منابع معدنی سه دسته‌اند: فلزی (آهن، طلا، آلومینیم)، غیرفلزی (رس، زغال‌سنگ) و موادِ نفتی و پتروشیمی (بنزین، پلاستیک). پایهٔ دو دستهٔ نخست، کانی‌هاست.
سیلیکات‌ها و غیرسیلیکات‌ها
سیلیکات‌ها بیش از ۹۰٪ پوستهٔ زمین را می‌سازند و همه بنیانِ سیلیکاتی ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارند: چهاروجهی‌ای با سیلیسیم در مرکز و چهار اکسیژن در رأس‌ها. بارِ ۴- این بنیان باید با کاتیون‌های فلزی خنثی شود؛ مثلاً در الیوین دو یونِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی هم بارِ ۴+ می‌سازند. مهم‌ترین سیلیکات‌ها فلدسپار، کوارتز، پیروکسن، آمفیبول، میکا و کانی‌های رسی‌اند؛ کانی‌های رسی چیزی جز سیلیکاتِ آبدارِ آلومینیم نیستند و همین ترکیب آن‌ها را برای آجر و سرامیک مناسب می‌کند.
غیرسیلیکات‌ها بنیانِ سیلیکاتی ندارند: سولفیدها، اکسیدها، سولفات‌ها، کربنات‌ها، فسفات‌ها و عناصرِ آزاد. فراوان‌ترین کانیِ پوسته فلدسپار است (پلاژیوکلاز ۳۹٪ و فلدسپارِ پتاسیم ۱۲٪، روی هم حدود ۵۱٪) و پس از آن کوارتز.
هر مادهٔ معدنی به‌خاطرِ یک ویژگیِ مشخص انتخاب می‌شود: مس برای کابلِ برق (رسانایی و انعطاف‌پذیری)، آهنِ آلیاژی برای ریل (مقاومتِ مکانیکی)، گرافیت برای مغزِ مداد (نرمی و ارزانی)، و فلوئوریت در خمیردندان (استحکامِ مینای دندان).
آنیدریت و ژیپس کانی‌های تبخیری‌اند و وجودشان نشانهٔ اقلیمِ گرم و خشکِ دیرینهٔ منطقه است؛ پس برای بازسازیِ آب‌وهوای گذشته به کار می‌روند.
غلظت کلارک و بی‌هنجاری
غلظت کلارک یعنی میانگینِ فراوانیِ هر عنصر در پوستهٔ جامدِ زمین بر حسبِ درصدِ جرمی؛ کلارک و رینگوود با نمونه‌برداریِ گسترده به آن رسیدند. دو کاربردِ اصلی دارد: شناختِ فرایندهای زمین‌شناسی (حرکتِ ورقه‌ها، بازسازیِ تاریخچهٔ یک منطقه، ردیابیِ آلودگی) و کشفِ بی‌هنجاری، که پایهٔ اکتشافِ معدن است.
مقادیرِ کلارک (درصدِ جرمی): اکسیژن ۴۵٫۲۰، سیلیسیم ۲۷٫۲۰، آلومینیم ۸٫۰۰، آهن ۵٫۸۰، کلسیم ۵٫۰۶، سدیم ۲٫۷۷، پتاسیم ۲٫۳۲، منیزیم ۱٫۶۸، تیتانیم ۰٫۸۶، فسفر ۰٫۱۲، منگنز ۰٫۱۰، روی ۰٫۰۱۳، مس ۰٫۰۰۷ و سرب ۰٫۰۰۰۱۶. ترتیبِ ده‌تاییِ نخست: O > Si > Al > Fe > Ca > Na > K > Mg > Ti > P. اکسیژن فراوان‌ترین عنصرِ پوسته است، نه آهن و نه سیلیسیم.
اگر غلظتِ عنصری در منطقه‌ای بالاتر از کلارکش باشد بی‌هنجاری مثبت داریم و همین هدفِ اکتشاف است؛ اگر پایین‌تر باشد بی‌هنجاری منفی. مثلاً مسِ ۰٫۷درصدی در برابرِ کلارکِ ۰٫۰۰۷درصدی، بی‌هنجاریِ مثبتِ چشمگیری است.
عیار و واحد ppm
غلظتِ بیشترِ فلزهای باارزش آن‌قدر کم است که بیانش با درصد بی‌معنا می‌شود؛ پس از ppm (بخش در میلیون) استفاده می‌کنیم: چند گرم عنصر در هر یک‌میلیون گرم کانسنگ.
ادامهٔ فرمول را افقی ببینبرای نمونه از ۳ تن (۳٬۰۰۰٬۰۰۰ گرم) سنگ با عیارِ ۲ppm فقط ۶ گرم طلا به دست می‌آید؛ همین توضیح می‌دهد چرا استخراجِ طلا پرهزینه است. عیارِ متوسطِ کانسنگِ طلا در زرشوران حدود ۵٫۵ppm است. در مسئله اول واحدها را به گرم تبدیل کن.
کانه، باطله، کانسنگ و کانسار
کانه کانیِ ارزشمندِ اقتصادیِ درونِ سنگ است، باطله کانی‌های بی‌ارزشِ همراهِ آن، کانسنگ مجموعِ این دو، و کانسار کانسنگی که استخراجش مقرون‌به‌صرفه باشد. پس هر کانسنگی کانسار نیست؛ شرطِ اقتصادی‌بودن هم باید برقرار باشد. در کانسارِ مس، کالکوپیریت ادامهٔ فرمول را افقی ببین کانهٔ اصلی است و کوارتز، فلدسپار، میکا و پیریت ادامهٔ فرمول را افقی ببین باطله؛ غلظتِ مس اغلب کمتر از ۱٪ است. پیریت با وجودِ ظاهرِ فلزیِ براقش («طلای ابلهان») معمولاً باطله است، نه کانه.
کانه را می‌توان از فرمولش شناخت: هماتیت ادامهٔ فرمول را افقی ببین و مگنتیت ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای آهن، کالکوپیریت ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای مس، گالن ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای سرب و کرومیت ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای کروم.
فلزهای فراوان آهن، آلومینیم، منیزیم، منگنز و تیتانیم‌اند و کمیاب‌ها مس، سرب، روی، نیکل، کروم، طلا، نقره، قلع، اورانیم، پلاتین، تنگستن و مولیبدن؛ طلا، نقره و مس گاهی آزاد و خالص هم یافت می‌شوند.
مقرون‌به‌صرفه‌بودنِ یک ذخیره فقط به وجودِ کانه بستگی ندارد؛ عمقِ ذخیره، نسبتِ کانه به باطله، عرضه و تقاضای بازار، شرایطِ اقلیمی، ارزشِ ذاتیِ ماده، هزینهٔ استخراج، شکلِ ذخیره، کانی‌های همراه و فاصله از راه‌ها هم مؤثرند. به همین دلیل معدنی که روزی متروکه اعلام شده می‌تواند با بالا رفتنِ قیمت، پیشرفتِ فناوری یا کشفِ کاربردِ تازه دوباره فعال شود؛ و به همین دلیل طلای حل‌شده در آبِ دریا هرگز استخراج نمی‌شود، چون غلظتش بسیار کم و جداسازی‌اش غیراقتصادی است.
منشأ کانسنگ‌ها
- ماگمایی: عناصرِ پرچگالی مانند نیکل، کروم، پلاتین و آهن هنگامِ سردشدنِ ماگما ته‌نشین می‌شوند؛ نمونه‌اش معدنِ آهنِ چغارتِ بافق است. اگر پس از تبلورِ بخشِ عمدهٔ ماگما آب و موادِ فرّارِ زیادی بماند و تبلور بسیار کند باشد، پگماتیت با بلورهای درشت شکل می‌گیرد: کانسارِ مهمِ لیتیم، زمرد و مسکوویت (طلقِ نسوز، که با آزبست فرق دارد).
- گرمابی: در پوسته به ازای هر ۱۰۰ متر عمق دما حدود ۳ درجهٔ سانتی‌گراد بالا می‌رود. آبِ داغ از سه منبع می‌آید: آب‌های ماگمایی، آب‌های نفوذی در بسترِ اقیانوس، و آب‌های زیرزمینیِ رسیده به اعماق. این آب عناصر را حل و در شکستگی‌های سنگ رسوب می‌دهد و رگهٔ معدنی می‌سازد؛ ذخایرِ مس، سرب، روی، قلع، مولیبدن و طلا اغلب گرمابی‌اند.
- رسوبی: هوازدگی و ته‌نشینیِ کانی‌های سنگین در رسوباتِ رودخانه‌ای پلاسر می‌سازد (طلا، الماس، پلاتین). پلاسر چهار شرط دارد: کانیِ سنگین در سنگِ مادر، هوازدگی، محلِ نشستِ مناسب مانند پیچِ رودخانه، و آبِ جاری به‌عنوانِ انتقال‌دهنده. زرشوران و زاینده‌رود نمونه‌های ایرانی‌اند. سرب و روی در سنگ‌های آهکی و اورانیم در ماسه‌سنگ هم رسوبی‌اند.
- باقی‌ماندهٔ هوازدگی (لاتریتی): نمونهٔ کلاسیکش بوکسیت، کانسنگِ اصلیِ آلومینیم است؛ آلومینیم هرگز آزاد یافت نمی‌شود. در اقلیمِ استوایی، هوازدگیِ شیمیاییِ شدید عناصرِ محلول مانند سیلیسیم، سدیم و کلسیم را می‌شوید، اما اکسیدهای آلومینیم چون نامحلول‌اند در خاکِ سطحی تغلیظ می‌شوند؛ پس بوکسیتِ باکیفیت عمدتاً استوایی است، نه در اقلیم‌های خشک یا سرد.
اکتشاف، استخراج و فرآوری
هر مادهٔ معدنی چهار مرحله را طی می‌کند: شناسایی، استخراج، فرآوری و تبدیل به کالا. اکتشاف با نقشهٔ زمین‌شناسی و بازدیدِ صحرایی آغاز می‌شود، با روش‌های ژئوفیزیکی (مغناطیس‌سنجی، گرانی‌سنجی، رساناییِ الکتریکی) ادامه می‌یابد، و با حفاریِ اکتشافی، آنالیزِ آزمایشگاهی برای تعیینِ عیار و شناساییِ کانی‌ها، و تعیینِ حجمِ ذخیره با نرم‌افزار پایان می‌گیرد.
استخراج دو روش دارد: روباز و زیرزمینی (با تونل و چاه)؛ ذخیرهٔ عمیق‌تر باطله‌برداریِ بیشتری می‌خواهد. در کانه‌آرایی کانه از باطله جدا و کنسانتره تولید می‌شود که یا به کارخانهٔ ذوب می‌رود یا مستقیم مصرف. در معادنِ مس بیش از ۹۰٪ کانسنگِ استخراجی باطله است.
کانی‌های صنعتی و گوهرها
کانی‌های غیرفلزی کاربردِ گسترده‌ای دارند: شن و ماسه در بتن، خاکِ رس در آجر و کاشی، کوارتز در ساعت و شیشه، کائولن در کاغذ، بنتونیت و باریت در گلِ حفاری، آپاتیت در کودِ فسفاته، ژیپس در گچ و زئولیت در تصفیهٔ آب. سرامیک از کانی‌های رسی، فلدسپار و سیلیس ساخته می‌شود و پایهٔ شیشه سیلیس است که با اکسیدِ سدیم، کلسیم، منیزیم یا آلومینیم ترکیب می‌شود؛ اکسیدهای فلزی به آن رنگ می‌دهند.
از حدود ۴۰۰۰ کانیِ شناخته‌شده تنها حدود ۱۰۰ کانی گوهرند، چون باید هر پنج ویژگی را همزمان داشته باشند: زیبایی، درخشش، سختیِ زیاد، رنگ و کمیابی؛ ژیپس و کلسیت با وجودِ زیبایی به‌دلیلِ سختیِ پایین و فراوانی گوهر نیستند. گوهرها طیِ فرایندهای ماگمایی، گرمابی یا دگرگونی و زیرِ دما و فشارِ زیاد شکل می‌گیرند. سختی با مقیاس موهس (۱ تا ۱۰) سنجیده می‌شود: نرم‌ترین تالک، سخت‌ترین الماس. هر قیراط ۰٫۲ گرم است.
مهم‌ترین گوهرها: الماس (کربنِ خالص، سختی ۱۰، سخت‌ترین کانی، در گوشته شکل می‌گیرد)، یاقوت (کرندوم، ادامهٔ فرمول را افقی ببین، سختی ۹، با دو نوعِ کبود و سرخ)، کریزوبریل (سختی ۸٫۵، سومین گوهرِ سخت)، زمرد (بریل، ۷٫۵–۸)، عقیق (ادامهٔ فرمول را افقی ببین، سختی ۷) و فیروزه (فسفاتی، سختی ۵–۶، نخستین‌بار در نیشابور).
برلیان جنسِ متفاوتی از الماس نیست؛ نامِ یک نوعِ تراش است با ۵۴ وجه در بالا و ۳۸ وجه در پایین. تراش دو نوعِ کلی دارد: ساده (بدون زاویه) و زاویه‌ای که نورِ بیشتری بازمی‌تاباند. الماس جز جواهرسازی، به‌عنوانِ ساینده و در سرِ متهٔ حفاری هم کاربرد دارد.
سوخت‌های فسیلی
سوخت‌های فسیلی سه ویژگیِ مشترک دارند: منبعِ اصلیِ انرژیِ جهان‌اند، از تجزیهٔ موادِ آلیِ گیاهی یا جانوری پدید می‌آیند، و در سنگ‌های رسوبی ذخیره شده‌اند. پس همه جامد نیستند؛ فقط زغال‌سنگ جامد است.
نفت و گاز از تجزیهٔ پلانکتون‌ها و موجوداتِ دریایی پدید می‌آیند و چند شرطِ همزمان می‌خواهند: محیطِ کم‌عمقِ دریایی با رسوب‌گذاریِ سریع، رسوباتِ دانه‌ریز، نبودِ اکسیژن، باکتری‌های غیرهوازی، دما و فشارِ مشخص، و زمانِ زمین‌شناسی. بالاتر از حدودِ ۱۷۰ درجهٔ سانتی‌گراد دیگر نفت تشکیل نمی‌شود؛ و اگر دما و فشار از حد بگذرد، سنگ دگرگون می‌شود و نفت و گاز به‌کلی از بین می‌رود.
مهاجرتِ اولیه حرکتِ نفت از سنگِ مادر به اطراف است و ثانویه حرکتِ آن تا لایه‌ای نفوذناپذیر، که همان‌جا انباشته می‌شود. اگر مانعی نباشد نفت به سطح می‌رسد و با تبخیر و اکسایش قیرِ طبیعی می‌شود؛ جریانِ مداوم چشمهٔ نفتی می‌سازد (خوزستان و ایلام).
یک نفت‌گیر هر سه را با هم می‌خواهد: سنگِ مخزنِ متخلخل و نفوذپذیر (ماسه‌سنگ یا آهکِ حفره‌دار)، پوش‌سنگِ نفوذناپذیر در بالای آن (شیل یا گچ)، و شکلِ هندسیِ مناسب. چهار نوعِ تله: تاقدیسی (رایج‌ترین)، گسلی، گنبد نمکی و ریفِ مرجانی. تنها ۰٫۱٪ نفتِ تولیدشده در تاریخِ زمین در تله‌ها مانده است. در مخزن ترتیب از بالا به پایین: گاز، نفت، آبِ شور.
زغال‌سنگ از تجزیهٔ گیاهانِ جنگلی در محیط‌های باتلاقیِ خشکی شکل می‌گیرد و دو شرط لازم دارد: نبودِ اکسیژن و آبِ ساکن و گرمِ مردابی. بقایای گیاهی انباشته می‌شود، گل‌ولای نرم رویش می‌نشیند، باکتری‌های غیرهوازی آن را به تورب بدل می‌کنند و فشردگیِ میلیون‌ساله همراه با خروجِ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ادامهٔ فرمول را افقی ببین ادامه می‌دهد:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینبا پیشرفت در این مسیر، درصدِ کربن و تراکم بالا می‌رود، ضخامتِ لایه کم می‌شود و چین‌خوردگی بیشتر. ایرلند بخشِ زیادی از انرژی‌اش را از سوزاندنِ تورب می‌گیرد (با ایسلند و انرژیِ زمین‌گرمایی اشتباهش نگیر). وجودِ زغال در سیبریِ سرد هم توضیح دارد: آن جنگل‌ها در عرض‌های استوایی شکل گرفتند و با حرکتِ ورقه‌ها به عرض‌های بالا رانده شدند. ذخایرِ طبس هم نشان می‌دهد این منطقه زمانی اقلیمی گرم و جنگلی داشته است.