Курс лекций «Минеральные ресурсы Земли и их роль в развитии

2014 г.
Кафедра геологии, геохимии и экономики полезных ископаемых
МГУ им. М.В. Ломоносова
Курс лекций «Минеральные ресурсы Земли
и их роль в развитии цивилизации»
Профессор В.И. Старостин
ВВЕДЕНИЕ.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
Лекция 1
Какова цель данного курса?
1. Прежде всего познакомить студентов различных факультетов с
безграничным полем геологической науки и практики.
2. На примерах анализа развития взаимоотношений минеральных
ресурсов Земли и человека показать, что на всех этапах истории
цивилизации прогресс осуществлялся только на базе глубокого и
рационального использования существующих на нашей планете
минеральных ресурсов.

Согласно исследованиям В.И.Вернадского человек использовал в
древнем мире только 18 элементов; в эпоху возрождения (XVII в.) –
25 элементов; в XVIII в. – 29; в XIX в. – 47; в первой половине XX в. −
54, а во второй − уже 80.

Экспоненциальное развитие мира ставит новые грандиозные задачи,
без решения которых бурно увеличивающееся человечество
погибнет без всяких апокалипсисов и глобальных войн.
Тренды XXI в.
1) Перемещение центров добычи полезных ископаемых на новые
территории ( Сибирь, Африка, Австралия, Бразилия, дно Мирового
океана в экваториальной зоне, морские шельфы в Арктике и др.)
2) Новые
источники
энергии.
Последовательный
переход:
нефть + газ → уголь + горючие сланцы → уран + торий →
петроэнергетика → термоядерная энергетика
3) Новые материалы: сплавы, материалы для ядерных реакторов,
электроника, полупроводники, графен, гибкие экраны. Геоника
4) Новые технологии. Методы поиска, добычи, обогащения, извлечения
полезных ископаемых. Космическая сьемка, беспилотники,
выщелачивание, бактериальное обогащение и др.
5) Запредельный уровень экологических проблем
6) Глобализация

В современную эпоху возникла крайняя необходимость в создании
междисциплинарных исследовательских групп по всем отмеченным выше
направлениям
Что же такое полезные ископаемые ?

Безграничен и разнообразен мир веществ,
которыми мы пользуемся в нашей повседневной
жизни. К ним относятся изделия из металлов,
строительные сооружения, воды и газы. Все они
являются либо непосредственно полезными
ископаемыми, либо получены из них при
промышленной переработке.

Ископаемые — потому что извлекаются из недр Земли, отторгаются
человеком от её каменной оболочки.

Полезные — потому что служат человеку, т.е. по его воле
превращаются в разнообразные необходимые вещи, которые создают
уют, обеспечивают безопасность, обогревают, кормят, перевозят.
Одним словом, полезные ископаемые нужны всегда, везде и
оказывают огромное влияние на нашу жизнь.

Когда древний человек делал первые шаги по Земле полезных
ископаемых для него как бы не существовало. Человека окружала
природа (живая и неживая): воздух, вода, животные и растения. И
вместе с ними — минеральная твердь Земли.

Твёрдая оболочка планеты была — и остаётся по сей день — не
просто полезной, но необходимой для всего существующего на
ней. Чтобы ископаемые стали полезными, человек должен был
стать Человеком и ощутить пользу, которую ему может принести
камешек, лежащий на берегу реки или отколотый от скалы. Надо
было, чтобы он научился использовать свою находку,
обрабатывать её.

Утекло немало воды, прежде чем человек понял, что под его
ногами находится поистине неисчерпаемая кладовая, богатства
которой сделают его жизнь легче и интереснее. Тогда полезные
ископаемые «родились» вторично — теперь уже в сознании
человека.

Невозможно переоценить роль полезных ископаемых в
становлении цивилизации. Американский этнолог Генри
Люис Морган писал, что с того момента, когда варвар
научился получать и применять металл, именно тогда
девять десятых борьбы за цивилизацию было выиграно.

Использование
металла
стимулировало
развитие
земледелия, строительства, ремесел, военного дела и
культуры; способствовало бурному социальному прогрессу.
Не случайно первые государства на земле возникли в эпоху
раннего металла.

Выдающийся русский историк, географ и этнолог
Л.Н. Гумилёв пришел к выводу о неразрывной связи истории
людей и истории природы, понимая под этим роль климата,
ландшафта и природных ресурсов в создании устойчивых,
естественно формирующихся коллективов людей, так
называемых этносов.

Прежде чем мы приступим к анализу взаимосвязи
минеральных ресурсов и цивилизации, давайте очень
кратко ознакомимся с основными понятиями и
терминами рудной геологии и металлогении.

Месторождения полезных ископаемых − это участки
Земли, в пределах которых по эколого-экономическим
и технологическим условиям возможно добывать
необходимое для народного хозяйства минеральное
сырье.

По сравнению со всей площадью нашей планеты
(510,1 млн. км2), размеры отдельных месторождений
ничтожно малы: они колеблются в пределах
(0,003-0,47) м2 . В масштабе такие объекты напоминают
точечные уколы иглы на лётном поле аэродрома.
Выделяют 4 типа объектов исследования:
1. Металлические (руды металлов)
2. Неметаллические (горно-химическое, агрохимическое,
индустриальное и пьезооптическое, камнесамоцветное
сырьё, стекольно-керамическое и техническое сырьё,
природные строительные материалы и сырьё для их
производства)
3. Горючие (нефть и газ, уголь, горючие сланцы, торф)
4. Гидроминеральные
ископаемые
(воды,
рассолы,)
полезные
Структура Земли
1) Континентальная кора.
2) Океаническая кора.
3) Верхняя мантия.
4) Нижняя мантия.
5) Внешнее ядро.
6) Внутреннее ядро
------------------------------------------ А - Поверхность Мохоровичича

В - Разрыв Гутенберга

С - Разрыв Леманн-Буллен
Земная кора разделяется на
континентальную и океаническую
Континентальная кора

Континентальная резко
отличается от океанической.
Её мощность (25 – 80) км, в
среднем − 40 км. Перепады
высот рельефа 17 км.
Континентальная кора
разделяется на три слоя:
1. Осадочный
2. Гранитно-метаморфический
3. Гранулит-базитовый

Океаническая кора
Океаническая кора также
состоит трех слоев:
1. верхний осадочный (0,5 км)
2. второй базальтовый (1,5-2,0) км
3. нижний габбросерпентинитовый (4,5-5,0) км

В геологической истории земли выделяется два максимума
рудогенеза (в млрд. лет): протерозойский (2,7-2,0) и
фанерозойский (0,54-0,0).
Раннепротерозойский


Раннепротерозойский образование провинций с
рудами сидерофильных
элементов: железистых
кварцитов, элементов
платиновой группы и
редкоземельных элементов.
Их накопление было связано с
процессами ранней
дифференциации земного
вещества.
Фанерозойский


Фанерозойский максимум
возникли халькофильные
провинции – молибденовые,
оловянные, вольфрамовые,
ртутные, тантало-необиевые,
алмазоносные.
В новой фациальной обстановке
формировались, но в меньших
масштабах, месторождения
первого максимума – железа,
хрома, платиноидов, золота,
серебра и др.

Образуются месторождения только во внешней оболочке
Земли, имеющей толщину всего (10-15) км − меньше чем
доля скорлупы в курином яйце.

Эта оболочка получила название рудосфера. В ней
происходит постоянный круговорот веществ. Первоначально
на
больших
глубинах
из
расплавов
образуются
магматические породы и руды. Затем солнце, вода и ветер
разрушают их (экзогенные процессы) и в виде обломков и
растворов переносят в моря и озёра. Постепенно там
накапливаются 1000-метровые толщи песков, глин, солей и
других осадочных пород и руд, которые погружаются в
глубинные части Земли, где под влиянием высоких
температур и давлений преобразуются в метаморфические
пород и руды.

Таким образом завершается цикл круговорота вещества. С
момента возникновения Земли они следуют один за другим.
Положение различных типов твёрдых полезных
ископаемых в разрезе Земной коры
Геолого-генетическая классификация
месторождений полезных ископаемых
Все месторождения полезных ископаемых разделяются
на три серии:
1) Эндогенная серия – месторождения магматические,
карбонатитовые, пегматитовые, скарновые,
альбититовые, грейзеновые и гидротермальные.
2) Экзогенная серия – месторождения выветривания,
осадочные, экзогенные эпигенетические.
3) Метаморфогенная серия—месторождения
метаморфизованные и метаморфические.


Каждая серия разделяется на группы, а последние на
классы.
Глубинные магматические месторождения
Глубинные магматические месторождения образуется из
магматических расплавов на глубинах (1,5-3,5) км. Они разделяются
на три группы месторождений:
1) Первая относится к ультраосновным породам, возникающим из
магмы, богатой магнием и железом, небедной кремнием. Это
месторождения медных и никелевых руд (Норильск на Таймыре,
Садбери в Канаде); хрома, титана и платины (Бушвельд в Южной
Африке); редких и редкоземельных элементов (на Кольском полуострове и в Южной Африке). В трубообразных телах, сложенных
кимберлитами, возникают алмазы. Под воздействием воды,
кислорода и органических кислот кимберлиты превращаются в синюю
глину. Она служит поисковым признаком на алмазы. Другим
признаком служит красный гранат - пироп. Он является составной
частью кимберлита.

Глубинные магматические месторождения
2. Вторая группа месторождений связана с диоритами - породами
обогащёнными оксидами калия, натрия, кальция и алюминия и
обеднёнными кремния. Это руды меди и молибдена крупнейшего на
Земле пояса, проходящего через обе Америки от Огненной Земли до
Аляски. Здесь находятся такие гигантские месторождения, как Чукикамата
и Браден в Чили, Кляймакс в CШA.
3. Третья, самая большая по составу руд группа месторождений образуется
из растворов, циркулирующих по трещинам. Эти растворы возникают при
возникновении гранитов – пород, содержащих до (70-90) % кремнезема.
Как в самих гранитах, так и во вмещающих их породах, в трещинах
отлагаются руды серебра, золота, вольфрама, молибдена, свинца, цинка,
висмута и многих других элементов (месторождения Тырныауз на
С.Кавказе, Бингхем в CШA, Саса в Македонии и т.д.). Именно к этой
категории минеральных образований относятся изумительные и
уникальные по красоте друзы кристаллов (образования, возникшие из
сросшихся вместе нескольких кристаллов) и коллекционные образцы.
Вулканогенные месторождения

Вулканогенные месторождения представлены двумя группами:
1. Эндогенной, возникшей на континентах в вулканах на глубинах
до 1,5 км из горячих растворов. Эта группа представлена очень
богатыми Au-Ag месторождениями, сотни которых
расположены по берегам Тихого океана: на западе - в Андах и
Кордильерах Ю. и С. Америки, на востоке - в вулканических
горных цепях Чукотки, Камчатки, Японии, Китая и Австралии.
2. Эндогенно-экзогенной, связанной с базальтовыми лавами,
изливавшихся на дно окраинно-морских прогибов, которые
сложены сульфидами железа, меди, цинка и свинца. Эта группа
характерна для древних вулканических поясов Урала, С. Кавказа,
Канады, США и др. регионов.
Разрез месторождения Потоси в Боливии.
Из Л.Красного
Третичные образования: 1 - шток риолитового порфира, 2 - глинистые сланцы и пеплы (свита
Караколес), 3 – туфы андезитовые биотизированные, 4 - конгломераты и брекчии с
обломками осадочных, метаморфических и изверженных пород (свита Паилавири), 5 ордовикские глинистые сланцы и песчаники, 6 - рудные жилы, 7 - разрывы
Схема геологического строения месторождения
Лако (по Фуллеру Г.Р. и др.).
1 - аллювиальные и делювиальные
современные отложения
2 - 4 - плейстоценовые образования:
2 - ледниковые отложения,
3 - отложения термальных источников,
4 - участки гидротермально-измененных
пород
5 - четвертичные эффузивные образования
основного состава
6 - рудные тела (I,- Лако Сюр, II - Лако Норте,
III - Родадос Негрос, IV - Сан-Висенте
Ьахо,
V - Сан- Висенте Альто)
7 - серия Лако
8 - формация Альтос-де-Пико
верхнетретичного возраста, игнимбриты
9 - вулканический кратер
10 - границы лавовых потоков
11 – границы распространения рудного
обломочного материала
12 - литологические контакты
13 - элементы залегания
14 - разлом
Рудообразование на суше, в реках,
озерах и морях



Руды образуются повсеместно: на суше, в реках, озёрах, морях и
океанах. Наиболее активны эти процессы в горах и на плоскогорьях в
жарком и влажном климате.
Высокие горы энергично разрушаются внешними силами Земли ветром, водой, суточными и сезонными колебаниями температуры и
движущимися ледниками. В результате образуется огромная масса
обломков (десятки кубических километров), которые постепенно
перемещаются по планете в направлении наиболее низких её
участков.
Реки активно переносят большое количество обломков - от крупных
валунов до песка и глины. Наиболее прочные, тяжёлые и химически
инертные частицы накапливаются в понижениях и излучинах рек.
Таким образом образуются россыпи золота, платины, олова, алмазов
и вольфрама и других прочных, твердых и химически устойчивых
минералов.




На побережьях морей и океанов формируются пляжи,
которые окаймляют восточное побережье Австралии, кольцом
окружают острова Мадагаскар и Цейлон, на тысячи км, развиты
вдоль побережий Индии, Африки и Америки.
В прибрежно-морских россыпях скапливаются огромные
запасы руд циркония, тория, титана, магнетита, олова. В
морских галечниках сосредоточены основные запасы
сапфиров, аметистов, агатов и многих других драгоценных и
поделочных камней.
Столовые горы - плато, возвышающееся над уровнем моря
уступом на сотни метров, в условиях постоянных дождей и
жаркого климата разрушается и превращается в вязкую
глинистую массу. Из неё выносится всё, кроме оксидов
алюминия, пласты которых называют бокситами - рудами для
получения этого металла.
В этих же условиях при выветривании ультрамафитов
сформировались месторождения никеля и кобальта.

В условиях изолированных бассейнов в жарких пустынных
областях, таких, как озёра Баскунчак и Эльтон в низовьях
Волги, небольших морях, подобных Аральскому в Средней
Азии или Мёртвому на Ближнем Востоке, образуются рассолы.
Из них при испарении выпадают в осадок различные соли.
Это и поваренная, и калийные соли, а также соединения из
которых добывают магний, калий, бром, йод, бор и многие
другие элементы.

Часть продуктов разрушения в виде тончайшей мути и
растворов выносится реками в моря и океаны и образуют
осадочные месторождения. У побережья отлагаются бокситы,
затем руды железа и у подножия берегового склона марганца.

В озёрах и на морских мелководьях из скелетов отмирающих
организмов накапливаются большие массы кальцита (СаСОз).
Таким путём формировались грандиозные толщи
известняков.

С побережьями связаны и месторождения фосфора, иногда и урана. Эти
элементы усваиваются морскими организмами в устьях рек, образуя
биофильтр. Содержания фосфора и урана в раковинах достигает
промышленных концентраций. Растворение остатков обогащают воды
оксидом фосфора (Р205) на глубинах (1000-1500) м, а восходящие течения
выносят растворы к побережью. Таким образом возникли крупнейшие в
мире пластовые месторождения, такие как Каратау в Западном
Казахстане, Фосфория в западных штатах США и ряд др.

В древних руслах рек в Поволжье и Предкавказье возникли ленточные
залежи урана.
На дне Мирового океана образуются:
1) Глубоководные эндогенно -экзогенные полиметаллические сульфиды
срединно-океанических хребтов. Их называют чёрными курильщиками
из-за клубов тёмно-серой взвеси минеральных частиц, похожих на столбы
дыма печной трубы
2) Кобальтоносные и железо-марганцевые корки и конкреции

3) Гигантские резервы полиметаллических железо-марганцевых конкреций
экваториального пояса
Активные чёрные курильщики гидротермального
поля Рейнбоу (САХ 36.14 С.Ш.)
А
Б
Фрагменты активных медных трубок: одноканальной (А) и двухканальной (Б)
Глубоководные полиметаллические сульфиды
Кобальтоносные марганцевые корки (КМК)
Метаморфические полезные ископаемые

Осадочные толщи в конце концов оказываются на глубинах в
несколько десятков км, где господствуют высокие температуры
(более 500 °С) и давления (более 1000 кг/см2). В этой адской печи
полностью преобразуются минералы, поступившие сверху. Глины
превращаются в прочные горные породы - сланцы, легко раскалывающиеся на тонкие пластинки, которыми можно покрывать
крышу. Поэтому их называют кровельными сланцами.

Из пористых и лёгких известняков образуются удивительно
разнообразные по изяществу рисунка и расцветке плотные
мраморы; пористые и рыхлые бокситы преобразуются в наждак и
корунд; обычные каменные угли превращаются в графит, из
которого изготавливают помимо других вещей и обычные
стержни для карандашей. Происходит круговорот веществ в
земной коре.
Кировогорское месторождение железистых
кварцитов
Альпинотипные гипербазиты


В эпохи ранней Земли в приповерхностном слое нашей
планеты сформировались основные крупнейшие структуры
плиты-континенты: Евразийская, Американская Северная и
южная), Африканская, Австралийская и Антарктическая.
Как внутри платформ, так и по их периферии активно
протекали геодинамические и магматические процессы,
образовавшие крупные промышленные скопления
месторождений полезных ископаемых – рудные районы.

В зависимости от преобладающих процессов
рудообразования различают районы:

эндогенных руд, связанных с глубинной энергетикой
земли,

экзогенных, ассоциирующих с энергией солнца,

полигенных, в формировании которых принимали участие
как эндогенные, так и экзогенные процессы.
Карта крупнейших рудных районов мира
Карта месторождений золота, серебра,
платины и алмазов
Благодарю за внимание!
Курс лекций
«Минеральные ресурсы Земли
и их роль в развитии цивилизации»