Powstawanie złóż metali, ruda metalu, złoto, chalkopiryt, żyła hydrotermalna w kwarcu.
Badania i odkrycia

Jak powstają złoża metali?

Ziemia składa się z kilku wyraźnie różnych od siebie warstw. Człowiekowi dobrze znana jest tylko pierwsza z nich, najuboższa w metale - skorupa ziemska. Dostęp do pozostałych warstw jest praktycznie  niemożliwy. Jak zatem wygląda powstawanie złóż metali i jak metale docierają do nas, skoro człowiek nie może dotrzeć do nich?

Odległość z powierzchni do środka jądra ziemi wynosi 6400 km, a grubość skorupy ziemskiej to zaledwie 30 km. Człowiekowi nie udało się dotrzeć nawet do połowy jej grubości, bo najgłębsza znana jaskinia (Jaskinia Krubera w Abchazji) ma głębokość 2197 m, a najgłębsza kopalnia to kopalnia złota Mponeng w Republice Południowej Afryki, gdzie wydobycie odbywa się do głębokości 4 km pod ziemią. Najgłębsza kiedykolwiek wywiercona studnia to Kola Superdeep Borehole (Кольская сверхглубокая скважина), projekt Związku Radzieckiego, podczas którego wywiercono otwór o średnicy 23 cm sięgający głębokości 12 262 metrów, co stanowi jedynie niecałe 0,2% odległości do jądra ziemi.

Skąd zatem wiemy co jest głębiej?

Ze względu na tak ograniczony dostęp do głębszych partii naszej planety większość wiedzy geologicznej pochodzi z obserwacji topografii, batymetrii, skał obecnych na powierzchni lub wyniesionych na powierzchnię poprzez aktywność wulkaniczną, fal sejsmicznych, grawitacji, magnetyzmu czy badań laboratoryjnych. Na podstawie wnioskowania i dowodów nie wprost naukowcy stwierdzili, że Ziemia składa się z trzech głównych części:

  • jądra ziemi - będącego kulą o promieniu 3470 km, masie 1,85·1024  kg i gęstości 9,6–18,5 g/cm³, dzielącą się na jądro wewnętrzne (stałe) i zewnętrzne (płynne),
  • płaszcza ziemskiego - warstwy o grubości ok. 2900 km, leżącej pomiędzy skorupą a jądrem, w której skład wchodzi ok. 70% objętości skał ziemskich i dzielącego się na płaszcz górny i dolny, oraz
  • skorupy ziemskiej - warstwy o grubości od 5 do 30 km, ograniczonej od góry atmosferą i hydrosferą, a od dołu górną warstwą płaszcza ziemskiego (nieciągłością Mohorovičicia) i choć zajmującą tylko 1,4% objętości globu oraz 0,3% jego masy, będącą jednak najbardziej zróżnicowaną chemicznie i fizycznie geosferą. 

Photograph of Krubera Cave by Bernard Tourte
Photograph of Kola Superdeep Borehole by Artem Achkasov

Przekrój przez warstwy ziemi, przekrój przez ziemię, warstwy geologiczne
Struktura wewnętrzna ziemi, warstwy ziemi

W której warstwie jest najwięcej metali?

Jądro Ziemi jest praktycznie całe zbudowane z metalu, głównie z żelaza (Fe) i w 4% z niklu (Ni).

Płaszcz ziemski to głównie krzemionka (SiO2), stanowiąca 46% jego wagi, następnie tlenki magnezu (MgO) - 37,8%, żelazo (Fe) - 7,5%, oraz tlenki glinu (Al2O3), wapnia (CaO), sodu (Na2O) i potasu (K2O) - 7,9%.

Skorupa ziemska to aż 60,6% krzemionki (SiO2), 15,9% tlenków glinu (Al2O3), tlenki żelaza (FeOT) - 6,71, tlenki wapnia (CaO) - 6,41% oraz magnezu (Mg), sodu (Na), potasu (K) i tytanu (Ti) - 10,26%. To głównie minerały skałotwórcze, krzemianowe i glinokrzemianowe: plagioklazy, amfibole, pirokseny i in., zaś w kontekście petrologicznym to skały magmowe, jak andezyty, granity, granodioryty i in. oraz ich metamorficzne odpowiedniki.

Kiedy opłaca się wydobywać metale?

Pierwiastki ciężkie tworzące cenne dla człowieka minerały rudne występują na Ziemi w bardzo niewielkim stężeniu, co więcej w głębszych partiach naszej planety jest ich znacznie więcej niż na powierzchni. Aby wydobycie ich było ekonomicznie opłacalne muszą nastąpić dwa wydarzenia:

  • transport tych pierwiastków w stronę powierzchni Ziemi na skutek gwałtownych wydarzeń geologicznych (np. trzęsień ziemi lub wsuwania się płyt tektonicznych pod siebie a wraz z tym podróż magmy i gorących wód gruntowych do powierzchni), oraz
  • ich tak duża koncentracja,  żeby można było mówić o powstawaniu złóż metali.

Większość surowców, z których korzysta ludzkość jest wydobywana spod ziemi, ale ponieważ najgłębsze szyby kopalń sięgają zaledwie paru kilometrów, jesteśmy skazani na eksploatowanie najbardziej ubogiej w surowce skorupy ziemskiej. Musimy więc szukać miejsc, w których matka natura, w ciągu milionów lat, dokonała koncentracji surowców.
Średnią zawartość cennych dla człowieka metali w skorupie ziemskiej obrazuje tabela.

Jak wynika z zamieszczonej tu tabeli średnia koncentracja miedzi w skorupie ziemskiej to ok 60 gramów na tonę, cynku 75 gramów na tonę, a ołowiu 12 gramów, i tak dalej. 

Bezlitosne warunki ekonomiczne powodują, że wydobycie ma sens jedynie wtedy kiedy jego koszt nie przewyższa ceny rynkowej metalu, dlatego aby opłacalna była eksploatacja złoża, musi wystąpić koncentracja danego metalu. I tak miedź musi być skoncentrowana jedyne 50 razy do wymaganej wartości 3 kg na tonę, cynk 130 razy do 10 kg na tonę, ale już ołów aż 2500 razy, bo jego wartość graniczna opłacalności wydobycia wynosi aż 30 kg na tonę. 

Ze złotem sprawa przedstawia się nienajgorzej ponieważ złoto w naturze występuje średnio w ilości ok 4 miligramów na tonę, ale jego wydobycie w niektórych warunkach opłaca się już od 0,5 grama na tonę. Aby więc można było mówić o ekonomicznie opłacalnym depozycie złota musi wystąpić jedynie 125-krota jego koncentracja. 

Tabela przedstawiająca średnie stężenie metali rudnych w górnej części skorupy ziemskiej oraz graniczne stężenie od którego opłacalne jest wydobycie przemysłowe.

*) Commodity Statistics and Information, USGS
**) średnia wyciągnięta i zaokrąglona z danych podanych przez trzy źródła:  Barbalace, Kenneth Periodic Table of Elements, Environmental Chemistry.com;  Abundance in Earth's Crust, WebElements.com, It's Elemental — The Periodic Table of Elements, Jefferson Lab

Co musi się stać, żeby minerały skoncentrowały się w jednym miejscu?

W 90% przypadków do powstania złoża metalu konieczny jest transport pierwiastków metalu z głębszych części skorupy ziemskiej (bogatszych w pierwiastki ciężkie) lub z płaszcza ziemskiego. Ten proces odbywa się w trzech krokach:

  1. Częściowe stopienie fragmentu skorupy ziemskiej bądź płaszcza.
  2. Podróż płynnej magmy w stronę powierzchni Ziemi. 
  3. Stopniowe stygnięcie magmy.

Stopienie magmy zwykle występuje na skutek zwiększenia temperatury lub zmniejszenia ciśnienia otoczenia. Takie warunki występują podczas:

  • wsuwania się płyt tektonicznych pod siebie w tak zwanych strefach subdukcji, czyli rejonach aktywnych tektonicznie, 
  • zwiększenie grubości skorupy ziemskiej na skutek osadzenia na niej dużej ilości osadów (np. wulkanicznych) lub poddania jej poziomej kompresji - wtedy skorupa zapada się do głębokości, na której zaczyna się topić,
  • wtrysk gorącej magmy z płaszcza w obręb skorupy ziemskiej. 

Aby dobrze zrozumieć jak dochodzi do koncentracji metali na skutek przetopienia skał, trzeba wziąć pod uwagę, że różne minerały składowe skał mają różne temperatury topnienia. W powoli topiącej się skale pierwsze osiągną stan płynny skalenie złożone głównie z krzemu, głównego składnika skał skorupy ziemskiej. Ostatnie ulegną stopieniu fragmenty ciężkich i gęstych skał pochodzących z głębszych partii Ziemi - skały maficzne i ultramaficzne. 

Różne metale zachowują się różnie w procesie topnienia, jedne pozostają w gęstszej wciąż niestopionej części magmy, inne wolą pozostawać w stopionych już skaleniach. Ze względu na różnicę w gęstości stopiona magma skaleniowa będzie utrzymywać się na górze. 

Dla przykładu złoto przemieszcza się do stopionej części magmy. Jeśli 20% magmy stopi się na pierwszym etapie topnienia to złoto z całej części magmy, nawet tej jeszcze nie do końca stopionej przemieści się do tych 20%, czyli nastąpi jego pięciokrotna koncentracja. I tak następuje pierwszy krok na drodze koncentracji metali.

 

 

 

 

 

 

Picture of a magma chamber from: M. R. Raugh, Modeling California Earthquakes and Earth StructuresCommunications of the ACM, Volume 28, Number 11, Pages 1130-1150 (November 1985)

Podróż magmy w stronę powierzchni

cdn...
 
sources: prof. dr G. Bertotti, Geoscience: the Earth and its Resources; A. Jackson, Ore deposits 101, wikipedia, BBC: Cavers smash world depth record, M. R. Raugh, Modeling California Earthquakes and Earth Structures, Communications of the ACM, Volume 28, Number 11, Pages 1130-1150 (November 1985)