Геологическое строение рельеф и минеральные ресурсы: КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ТЕМЕ «ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, РЕЛЬЕФ И МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ» (география, 8 кл)

Greisen — еще один родственный тип минерализации олово-молибдена и топаза.

Редкоземельные элементы, ниобий, тантал, литий

Подавляющее большинство редкоземельных элементов, тантала и лития находятся в пегматите. Теории рудогенеза этих руд широки и разнообразны, но большинство из них связано с метаморфизмом и магматической деятельностью. Литий присутствует в пегматите в виде сподумена или лепидолита.

Интрузии карбонатитов являются важным источником этих элементов. Рудные минералы по существу являются частью необычной минералогии карбонатита.

Фосфат

Фосфат используется в удобрениях. В осадочных отложениях шельфа встречаются огромные количества фосфоритов или фосфоритов, возраст которых варьируется от протерозоя до формирующихся в настоящее время сред. Считается, что отложения фосфата происходят из скелетов мертвых морских существ, скопившихся на морском дне.Считается, что, как и в случае с месторождениями железной руды и нефти, особые условия в океане и окружающей среде способствовали появлению этих месторождений в геологическом прошлом.

Рис. 3. Оболочки, подобные этой оболочке колокольчика, содержат ванадий в виде ванабина.

Фосфатные месторождения также образуются из щелочных магматических пород, таких как нефелиновые сиениты, карбонатиты и связанные с ними породы. В этом случае фосфат содержится в магматикапатите, монаците или других редкоземельных фосфатах.

Ванадий

Из-за присутствия ванабинов концентрация ванадия, обнаруженного в клетках крови Ascidia gemmata , принадлежащих подотряду Phlebobranchia, в 10 000 000 раз выше, чем в окружающей морской воде. Подобный биологический процесс мог сыграть роль в образовании ванадиевых руд. Ванадий также присутствует в отложениях ископаемого топлива, таких как сырая нефть, уголь, горючие сланцы и нефтеносные пески. Сообщалось о концентрациях в сырой нефти до 1200 ppm.

Нефть

Рис. 4. Pumpjack качает нефтяную скважину недалеко от Лаббока, штат Техас

Нефть — это природная жидкость от желтого до черного цвета, обнаруженная в геологических формациях под поверхностью Земли, которая обычно перерабатывается в различные виды топлива.

Состоит из углеводородов разной молекулярной массы и других органических соединений. Название petroleum охватывает как природную необработанную сырую нефть , так и нефтепродукты, состоящие из очищенной сырой нефти.Нефть, являющаяся ископаемым топливом, образуется, когда большое количество мертвых организмов, обычно зоопланктона и водорослей, закапывается под осадочными породами и подвергается сильному нагреву и давлению.

Нефть добывается в основном путем бурения нефтяных скважин (природные источники нефти встречаются редко). Это происходит после изучения структурной геологии (в масштабе коллектора), анализа осадочного бассейна, определения характеристик коллектора (в основном с точки зрения пористости и проницаемости геологических структур коллектора).Его очищают и разделяют, наиболее легко перегонкой, на большое количество потребительских товаров, от бензина (бензина) и керосина до асфальта и химических реагентов, используемых для производства пластмасс и фармацевтических препаратов. Нефть используется для производства самых разных материалов, и, по оценкам, в мире ежедневно потребляется около 90 миллионов баррелей.

Обеспокоенность по поводу истощения конечных запасов нефти Земли и последствий этого для зависимого от нее общества — это концепция, известная как пиковая нефть.Использование ископаемого топлива, такого как нефть, оказывает негативное влияние на биосферу Земли, нанося ущерб экосистемам в результате таких событий, как разливы нефти, и выбрасывает в воздух целый ряд загрязняющих веществ, включая приземный озон и диоксид серы из примесей серы в ископаемом топливе.

Композиция

В самом строгом смысле слова нефть включает только сырую нефть, но в обычном использовании она включает все жидкие, газообразные и твердые углеводороды. В условиях поверхностного давления и температуры более легкие углеводороды метан, этан, пропан и бутан встречаются в виде газов, а пентан и более тяжелые углеводороды находятся в форме жидкостей или твердых веществ.Однако в подземном нефтяном пласте пропорции газа, жидкости и твердого вещества зависят от подземных условий и от фазовой диаграммы нефтяной смеси.

Нефтяная скважина добывает преимущественно сырую нефть с некоторым количеством растворенного в ней природного газа. Поскольку давление на поверхности ниже, чем под землей, часть газа выйдет из раствора и будет извлечена (или сожжена) в виде попутного газа или растворенного газа . Газовая скважина добывает преимущественно природный газ.Однако, поскольку температура и давление под землей выше, чем на поверхности, газ может содержать более тяжелые углеводороды, такие как пентан, гексан и гептан в газообразном состоянии. В поверхностных условиях они будут конденсироваться из газа с образованием конденсата природного газа, часто сокращенного до конденсата . Конденсат по внешнему виду напоминает бензин и по составу похож на некоторые летучие легкие сырой нефти.

Доля легких углеводородов в нефтяной смеси сильно различается между различными месторождениями нефти: от 97 процентов по весу в более легких нефтях до всего лишь 50 процентов в более тяжелых нефтях и битумах.

Углеводороды в сырой нефти — это в основном алканы, циклоалканы и различные ароматические углеводороды, в то время как другие органические соединения содержат азот, кислород и серу, а также следовые количества металлов, таких как железо, никель, медь и ванадий. Многие нефтяные резервуары содержат живые бактерии. Точный молекулярный состав широко варьируется от образования к формации, но пропорции химических элементов варьируются в довольно узких пределах и составляют:

В сырой нефти присутствуют четыре различных типа углеводородных молекул. Относительный процент каждого из них варьируется от масла к маслу, определяя свойства каждого масла.

Сырая нефть сильно различается по внешнему виду в зависимости от ее состава.Обычно он черный или темно-коричневый (хотя может быть желтоватым, красноватым или даже зеленоватым). В пласте он обычно встречается в сочетании с природным газом, который, будучи более легким, образует газовую шапку над нефтью, и соленой водой, которая, будучи тяжелее большинства форм сырой нефти, обычно опускается под нее. Сырая нефть также может быть найдена в полутвердой форме, смешанной с песком и водой, как в нефтеносных песках Атабаски в Канаде, где ее обычно называют сырым битумом. В Канаде битум считается липкой, черной, смолоподобной формой сырой нефти, которая настолько густая и тяжелая, что ее необходимо нагреть или разбавить, прежде чем она потечет.Венесуэла также имеет большое количество нефти в нефтеносных песках Ориноко, хотя углеводороды, захваченные в них, более текучие, чем в Канаде, и их обычно называют сверхтяжелой нефтью. Эти ресурсы нефтеносных песков называются нетрадиционной нефтью, чтобы отличить их от нефти, которую можно добыть с использованием традиционных методов добычи нефти из скважин. Между ними Канада и Венесуэла содержат примерно 3,6 триллиона баррелей (570 × 10 ⁹ м ³ ) битума и сверхтяжелой нефти, что примерно в два раза превышает объем мировых запасов традиционной нефти.

Нефть используется в основном по объему для производства мазута и бензина, которые являются важными источниками «первичной энергии» . 84 процента по объему углеводородов, присутствующих в нефти, преобразуется в богатое энергией топливо (топливо на основе нефти), включая бензин, дизельное топливо, реактивное топливо, отопительное и другое жидкое топливо, а также сжиженный нефтяной газ. Более легкие сорта сырой нефти обеспечивают наилучший выход этих продуктов, но по мере того, как мировые запасы легкой и средней нефти истощаются, НПЗ все чаще приходится перерабатывать тяжелую нефть и битум и использовать более сложные и дорогие методы для производства этих продуктов. обязательный.Поскольку более тяжелая сырая нефть содержит слишком много углерода и недостаточно водорода, эти процессы обычно включают удаление углерода из молекул или добавление водорода к молекулам, а также использование каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем для преобразования более длинных и сложных молекул в нефти в более короткие и простые молекулы. топливо.

Благодаря своей высокой плотности энергии, легкой транспортировке и относительному распространению нефть стала самым важным источником энергии в мире с середины 1950-х годов. Нефть также является сырьем для многих химических продуктов, включая фармацевтические препараты, растворители, удобрения, пестициды и пластмассы; 16 процентов, не используемых для производства энергии, превращаются в эти другие материалы.Нефть содержится в пористых горных породах в верхних слоях некоторых областей земной коры. Также нефть содержится в нефтеносных песках (битуминозных песках). Известные запасы нефти обычно оцениваются примерно в 190 км ³ (1,2 триллиона (короткомасштабных) баррелей) без нефтяных песков или 595 км ³ (3,74 триллиона баррелей) с нефтяными песками. В настоящее время потребление составляет около 84 миллионов баррелей (13,4 × 10 ⁶ м ³ ) в сутки, или 4,9 км ³ в год. Что, в свою очередь, дает оставшуюся поставку нефти только около 120 лет, если текущий спрос останется неизменным.

Формация

Рисунок 5. Природный нефтяной источник в Корче, Словакия

Нефть — это ископаемое топливо, полученное из древних ископаемых органических материалов, таких как зоопланктон и водоросли. Огромные количества этих останков оседают на дно морей или озер, смешиваются с отложениями и захоронены в бескислородных условиях. По мере того, как последующие слои оседают на море или на дне озера, в нижних областях накапливаются сильная жара и давление. Этот процесс заставил органическое вещество преобразоваться сначала в воскообразный материал, известный как кероген, который содержится в различных горючих сланцах по всему миру, а затем с большим количеством тепла в жидкие и газообразные углеводороды посредством процесса, известного как катагенез.Образование нефти происходит в результате пиролиза углеводородов в различных, в основном, эндотермических реакциях при высокой температуре и / или давлении.

Были определенные теплые, богатые питательными веществами среды, такие как Мексиканский залив и древнее море Тетис, где большое количество органического материала, падающего на дно океана, превышало скорость, с которой он мог разлагаться. Это привело к тому, что большие массы органического материала были погребены под последующими отложениями, такими как сланец, образовавшийся из ила. Позднее это массивное органическое отложение нагрелось и превратилось под давлением в масло.

Геологи часто называют температурный диапазон, в котором образуется нефть, «нефтяным окном» — ниже минимальной температуры нефть остается в ловушке в виде керогена, а выше максимальной температуры нефть превращается в природный газ в процессе термического крекинга. . Иногда нефть, образовавшаяся на очень большой глубине, может мигрировать и попадать в ловушку на гораздо более мелком уровне. Нефтяные пески Атабаски — один из примеров этого.

Альтернативный механизм был предложен русскими учеными в середине 1850-х гг. — абиогенное происхождение нефти, но это опровергается геологическими и геохимическими данными.

Резервуары

Резервуары сырой нефти

Для образования нефтяных коллекторов должны присутствовать три условия: нефтематеринская порода, богатая углеводородным материалом, похороненная достаточно глубоко для того, чтобы подземное тепло могло превратить ее в нефть, пористая и проницаемая порода-коллектор для ее накопления и покрывающая порода (уплотнение) или другой механизм, предотвращающий его выход на поверхность. Внутри этих коллекторов флюиды обычно организуются как трехслойная корка со слоем воды под слоем нефти и слоем газа над ним, хотя разные слои различаются по размеру в разных коллекторах.Поскольку большинство углеводородов менее плотны, чем порода или вода, они часто мигрируют вверх через соседние слои породы, пока не достигнут поверхности или не будут захвачены в пористых породах (известных как резервуары) непроницаемыми породами выше. Однако на этот процесс влияют потоки подземных вод, в результате чего нефть мигрирует на сотни километров по горизонтали или даже на короткие расстояния вниз, прежде чем попасть в резервуар. Когда углеводороды концентрируются в ловушке, образуется нефтяное месторождение, из которого жидкость может быть извлечена путем бурения и откачки.

Реакции, приводящие к образованию нефти и природного газа, часто моделируются как реакции разложения первого порядка, где углеводороды расщепляются на нефть и природный газ посредством набора параллельных реакций, а нефть в конечном итоге распадается на природный газ посредством другого набора реакций. Последний набор регулярно используется на нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводах.

Бурение скважин на нефтяные пласты для добычи нефти. Методы добычи с «естественным подъемом», основанные на естественном пластовом давлении для выталкивания нефти на поверхность, обычно достаточны в течение некоторого времени после первого вскрытия пластов.В некоторых водохранилищах, например на Ближнем Востоке, естественного давления достаточно в течение длительного времени. Однако естественное давление в большинстве резервуаров со временем исчезает. Затем масло нужно добыть средствами «искусственного лифта». Со временем эти «первичные» методы становятся менее эффективными, и могут использоваться «вторичные» методы производства. Распространенным вторичным методом является «заводнение» или закачка воды в пласт для повышения давления и нагнетания нефти в пробуренный ствол или «ствол скважины». В конечном итоге «третичные» или «усиленные» методы добычи нефти могут быть использованы для увеличения характеристик потока нефти путем нагнетания пара, диоксида углерода и других газов или химикатов в пласт.В Соединенных Штатах на методы первичной добычи приходится менее 40 процентов добываемой ежедневно нефти, на вторичные методы приходится около половины, а на третичное извлечение — оставшиеся 10 процентов. Для извлечения нефти (или «битума») из залежей нефтеносного / битуминозного песка и горючего сланца требуется добыча песка или сланца и его нагревание в емкости или реторте, либо использование методов «на месте» для нагнетания нагретых жидкостей в залежь и последующей откачки из нефтенасыщенной жидкости.

Нетрадиционные залежи нефти

Маслоедные бактерии разлагают масло, которое вырвалось на поверхность.Нефтяные пески — это резервуары частично биоразложенной нефти, все еще находящейся в процессе выхода и биоразложения, но они содержат так много мигрирующей нефти, что, хотя большая часть ее ускользнула, все еще присутствуют огромные количества — больше, чем можно найти в обычных нефтяных резервуарах. В первую очередь разрушаются более легкие фракции сырой нефти, в результате чего образуются резервуары, содержащие чрезвычайно тяжелую форму сырой нефти, называемую сырым битумом в Канаде или сверхтяжелой сырой нефтью в Венесуэле. В этих двух странах находятся крупнейшие в мире месторождения нефтеносных песков.

С другой стороны, горючие сланцы представляют собой нефтематеринские породы, которые не подвергались воздействию тепла или давления достаточно долго, чтобы преобразовать захваченные ими углеводороды в сырую нефть. Технически говоря, горючие сланцы не всегда являются сланцами и не содержат нефти, а представляют собой мелкозернистые осадочные породы, содержащие нерастворимое органическое твердое вещество, называемое керогеном. Кероген в породе можно превратить в сырую нефть с помощью тепла и давления для имитации природных процессов. Этот метод известен веками и был запатентован в 1694 году под патентом Британской короны №330, «Способ извлечения и производства больших количеств смолы, дегтя и масла из своего рода камня». Хотя горючие сланцы находятся во многих странах, в Соединенных Штатах находятся крупнейшие в мире месторождения.

Природный газ

Природный газ — это ископаемое топливо, которое образуется, когда слои погребенных растений, газов и животных подвергаются интенсивному воздействию тепла и давления в течение тысяч лет. Энергия, которую растения изначально получали от солнца, хранится в виде химических связей в природном газе.Природный газ — невозобновляемый ресурс, потому что он не может быть восполнен в человеческие сроки. Природный газ представляет собой смесь углеводородного газа, состоящую в основном из метана, но обычно включает различные количества других высших алканов и иногда обычно меньшее процентное содержание диоксида углерода, азота и / или сероводорода. Природный газ — это источник энергии, который часто используется для отопления, приготовления пищи и производства электроэнергии. Он также используется в качестве топлива для транспортных средств и в качестве химического сырья при производстве пластмасс и других коммерчески важных органических химикатов.

Природный газ находится в глубоких подземных породах или связан с другими коллекторами углеводородов в угольных пластах и ​​в виде клатратов метана. Нефть — это еще один ресурс и ископаемое топливо, которое можно найти в непосредственной близости от природного газа и вместе с ним. Большая часть природного газа создавалась с течением времени двумя механизмами: биогенным и термогенным. Биогенный газ создается метаногенными организмами на болотах, болотах, свалках и неглубоких отложениях. Глубже под землей, при более высокой температуре и давлении, термогенный газ создается из погребенного органического материала.

Прежде чем природный газ можно будет использовать в качестве топлива, его необходимо обработать для удаления примесей, в том числе воды, для соответствия техническим условиям товарного природного газа. Побочные продукты этой обработки включают: этан, пропан, бутаны, пентаны и углеводороды с более высокой молекулярной массой, сероводород (который может быть преобразован в чистую серу), диоксид углерода, водяной пар, а иногда и гелий и азот.

Природный газ часто неофициально называют просто «газом», особенно по сравнению с другими источниками энергии, такими как нефть или уголь.Однако его не следует путать с бензином, особенно в Северной Америке, где термин бензин в разговорной речи часто сокращается до газ .

Природный газ использовался китайцами примерно в 500 году до нашей эры. Они обнаружили способ транспортировки газа, просачивающегося из-под земли по необработанным трубопроводам из бамбука, к месту, где его использовали для кипячения соленой воды для извлечения соли, в районе Цзилюцзин провинции Сычуань. Первая в мире промышленная добыча природного газа началась в Фредонии, штат Нью-Йорк, США, в 1825 году.К 2009 году было использовано 66 триллионов кубометров (или 8%) из общих 850 триллионов кубометров оцененных остающихся извлекаемых запасов природного газа. Исходя из оценочного уровня мирового потребления газа в 2015 году в размере около 3,4 триллиона кубометров газа в год, общих расчетных остаточных экономически извлекаемых запасов природного газа при текущих темпах потребления хватит на 250 лет. Ежегодное увеличение использования на 2–3% может привести к тому, что извлекаемые в настоящее время запасы останутся значительно меньше, возможно, всего от 80 до 100 лет.

Рисунок 6. Добыча природного газа по странам в кубических метрах в год.

Источники

Природный газ

Рисунок 7. Буровая установка на природном газе в Техасе.

В XIX веке природный газ обычно получали как побочный продукт при добыче нефти, поскольку небольшие углеродные цепочки легких газов выходили из раствора, когда извлеченные флюиды подвергались снижению давления от коллектора к поверхности, подобно вскрытию крышки. бутылка для безалкогольных напитков, из которой выделяется углекислый газ.Нежелательный природный газ был проблемой утилизации на действующих нефтяных месторождениях. Если рядом с устьем скважины не было рынка для природного газа, он был практически бесполезен, поскольку его приходилось поставлять конечному пользователю по трубопроводу.

В XIX и начале XX века такой нежелательный газ обычно сжигали на нефтяных месторождениях. Сегодня нежелательный газ (или нереализованный газ без рынка), связанный с добычей нефти, часто возвращается в пласт с помощью «нагнетательных» скважин в ожидании возможного будущего рынка или для повторного повышения давления в пласте, что может повысить темпы добычи из других скважин.В регионах с высоким спросом на природный газ (например, в США) трубопроводы строятся тогда, когда экономически целесообразно транспортировать газ от буровой площадки до конечного потребителя.

В дополнение к транспортировке газа по трубопроводам для использования в производстве электроэнергии, другие виды конечного использования природного газа включают экспорт в виде сжиженного природного газа (СПГ) или преобразование природного газа в другие жидкие продукты с помощью технологий перехода газа в жидкое состояние (GTL). Технологии GTL могут преобразовывать природный газ в жидкие продукты, такие как бензин, дизельное или реактивное топливо.Было разработано множество технологий GTL, включая технологии Фишера – Тропша (F – T), превращение метанола в бензин (MTG) и STG +. F – T производит синтетическую нефть, которая может быть переработана в готовую продукцию, а MTG может производить синтетический бензин из природного газа. STG + может производить бензин, дизельное топливо, реактивное топливо и ароматические химикаты непосредственно из природного газа с помощью одноконтурного процесса. В 2011 году в Катаре был введен в эксплуатацию завод Royal Dutch Shell F – T, производящий 140 000 баррелей в сутки.

Природный газ может быть «попутным» (находящимся в нефтяных месторождениях) или «несвязанным» (изолированным на месторождениях природного газа), а также обнаружен в угольных пластах (как метан угольных пластов).Иногда он содержит значительное количество этана, пропана, бутана и пентана — более тяжелых углеводородов, удаляемых для коммерческого использования до того, как метан будет продан в качестве потребительского топлива или сырья для химических заводов. Неуглеводороды, такие как диоксид углерода, азот, гелий (редко) и сероводород, также должны быть удалены перед транспортировкой природного газа.

Природный газ, добываемый из нефтяных скважин, называется попутным газом (независимо от того, добывается ли он в затрубном пространстве и через выпускное отверстие из обсадной колонны) или попутным газом.Отрасль природного газа добывает все большее количество газа из сложных видов ресурсов: высокосернистого газа, газа плотных пластов, сланцевого газа и метана угольных пластов.

Существуют некоторые разногласия по поводу того, какая страна имеет самые большие доказанные запасы газа. Источники, которые считают, что Россия имеет самые большие доказанные запасы, включают ЦРУ США (47,6 трлн кубометров), Управление энергетической информации США (47,8 трлн кубометров) и ОПЕК (48,7 трлн кубометров). Однако BP считает Россию всего лишь 32,9 трлн кубометров, что ставит ее на второе место, немного уступая Ирану (33.От 1 до 33,8 трлн куб. М в зависимости от источника). Вместе с «Газпромом» Россия часто является крупнейшим добытчиком природного газа в мире. Основные доказанные ресурсы (в миллиардах кубических метров): мировые 187 300 (2013), Иран 33 600 (2013), Россия 32 900 (2013), Катар 25 100 (2013), Туркменистан 17 500 (2013) и США 8 500 (2013).

По оценкам, существует около 900 триллионов кубометров «нетрадиционного» газа, такого как сланцевый газ, из которых 180 триллионов могут быть извлечены. В свою очередь, многие исследования Массачусетского технологического института, Black & Veatcha и Министерства энергетики предсказывают, что в будущем на природный газ будет приходиться большая часть выработки электроэнергии и тепла.

Крупнейшее газовое месторождение в мире — шельфовое газоконденсатное месторождение Южный Парс / Норт-Доум, совместно используемое Ираном и Катаром. По оценкам, он содержит 51 триллион кубометров природного газа и 50 миллиардов баррелей конденсата природного газа.

Поскольку природный газ не является чистым продуктом, поскольку пластовое давление падает, когда не связанный газ добывается из месторождения в сверхкритических (давление / температура) условиях, компоненты с более высокой молекулярной массой могут частично конденсироваться при изотермическом сбросе давления — эффект, называемый ретроградным. конденсация.Образовавшаяся таким образом жидкость может попасть в ловушку по мере истощения пор газового резервуара. Один из методов решения этой проблемы — закачка осушенного газа, не содержащего конденсата, для поддержания подземного давления и обеспечения возможности повторного испарения и извлечения конденсата. Чаще жидкость конденсируется на поверхности, и одной из задач газовой установки является сбор этого конденсата. Полученная жидкость называется сжиженным природным газом (ШФЛУ) и имеет коммерческую ценность.

Сланцевый газ

Сланцевый газ — это природный газ, полученный из сланца.Поскольку проницаемость матрицы сланца слишком низка, чтобы позволить газу течь в экономичных количествах, скважины сланцевого газа зависят от трещин, позволяющих газу течь. Первые скважины сланцевого газа зависели от естественных трещин, через которые проходил газ; почти для всех скважин сланцевого газа сегодня требуются трещины, искусственно созданные путем гидроразрыва пласта. С 2000 года сланцевый газ стал основным источником природного газа в США и Канаде. После успеха в Соединенных Штатах разведка сланцевого газа начинается в таких странах, как Польша, Китай и Южная Африка.С увеличением добычи сланца Соединенные Штаты стали крупнейшим производителем природного газа в мире.

Городской газ

Городской газ — легковоспламеняющееся газообразное топливо, получаемое путем деструктивной перегонки угля и содержащее различные теплоносители, в том числе водород, монооксид углерода, метан и другие летучие углеводороды, а также небольшие количества некалорийных газов, таких как диоксид углерода и азот. , и используется аналогично природному газу.Это историческая технология, которая сегодня обычно экономически не конкурентоспособна с другими источниками топливного газа. Но все же есть некоторые конкретные случаи, когда это лучший вариант, и это может быть так в будущем.

Большинство городских «газовых хранилищ», расположенных на востоке США в конце 19-го и начале 20-го веков, были простыми коксовыми печами, которые нагревали битуминозный уголь в герметичных камерах. Газ, вытесненный из угля, собирался и распределялся по сетям труб в жилые дома и другие здания, где он использовался для приготовления пищи и освещения.(Газовое отопление не получило широкого распространения до второй половины 20-го века.) Каменноугольная смола (или асфальт), скапливающаяся на дне газовых печей, часто использовалась для кровли и других целей гидроизоляции, а также при смешивании с песком. и гравий использовался для мощения улиц.

Биогаз

Метаногенные археи ответственны за все биологические источники метана. Некоторые живут в симбиотических отношениях с другими формами жизни, включая термитов, жвачных животных и культурных растений.Другие источники метана, основного компонента природного газа, включают свалочный газ, биогаз и гидрат метана. Когда газы, богатые метаном, образуются в результате анаэробного разложения неископаемых органических веществ (биомассы), они называются биогазом (или природным биогазом). Источники биогаза включают болота, болота и свалки (см. Свалочный газ), а также сельскохозяйственные отходы, такие как осадок сточных вод и навоз, получаемые из анаэробных варочных котлов, в дополнение к кишечной ферментации, особенно у крупного рогатого скота.Свалочный газ образуется при разложении отходов на свалках. За исключением водяного пара, около половины свалочного газа составляет метан, а большая часть остального — диоксид углерода с небольшими количествами азота, кислорода и водорода, а также различными следовыми количествами сероводорода и силоксанов. Если газ не удалить, давление может стать настолько высоким, что он поднимется на поверхность, что приведет к повреждению конструкции полигона, появлению неприятного запаха, отмиранию растительности и опасности взрыва. Газ можно выбрасывать в атмосферу, сжигать в факелах или сжигать для производства электричества или тепла.Биогаз также можно производить путем отделения органических материалов от отходов, которые в противном случае отправляются на свалки. Этот метод более эффективен, чем просто улавливание производимого им свалочного газа. Анаэробные лагуны производят биогаз из навоза, а биогазовые реакторы могут использоваться для навоза или частей растений. Как и свалочный газ, биогаз состоит в основном из метана и углекислого газа с небольшими количествами азота, кислорода и водорода. Однако, за исключением пестицидов, обычно уровень загрязнения ниже.

Свалочный газ нельзя распределять по трубопроводам природного газа, если он не очищен до уровня менее 3 процентов CO ₂ и нескольких частей на миллион H ₂ S, потому что CO ₂ и H ₂ S разъедают трубопроводы.Присутствие CO ₂ снизит уровень энергии газа ниже требований для трубопровода. Силоксаны, содержащиеся в газе, образуют отложения в газовых горелках, и их необходимо удалить перед подачей в любую газораспределительную или транспортную систему. Следовательно, может быть более экономичным сжигать газ на месте или на небольшом расстоянии от полигона с использованием специального трубопровода. Водяной пар часто удаляется, даже если газ сжигается на месте. Если при низких температурах вода конденсируется из газа, количество силоксанов также может быть снижено, поскольку они имеют тенденцию конденсироваться с водяным паром.Другие неметановые компоненты также могут быть удалены для соответствия стандартам выбросов, для предотвращения загрязнения оборудования или по экологическим соображениям. Совместное сжигание свалочного газа с природным газом улучшает сгорание, что снижает выбросы.

Биогаз, и особенно свалочный газ, уже используются в некоторых областях, но их использование может быть значительно расширено. Экспериментальные системы предлагались для использования в некоторых частях Хартфордшира, Великобритания, и Лиона во Франции. Использование материалов, которые в противном случае не приносили бы дохода или даже стоили денег, чтобы избавиться от них, улучшает прибыльность и энергетический баланс производства биогаза.Газ, вырабатываемый на очистных сооружениях, обычно используется для выработки электроэнергии. Например, канализационная станция Hyperion в Лос-Анджелесе сжигает 8 миллионов кубических футов (230 000 м ³ ) газа в день для выработки электроэнергии. Нью-Йорк использует газ для работы оборудования на очистных сооружениях, для выработки электроэнергии и в котлах. Использование канализационного газа для производства электроэнергии не ограничивается крупными городами. Город Бейкерсфилд, штат Калифорния, использует когенерацию на своих канализационных станциях. В Калифорнии 242 очистных сооружения сточных вод, на 74 из которых установлены анаэробные варочные котлы.Общая выработка биоэнергии на 74 электростанциях составляет около 66 МВт.

Кристаллизованный природный газ — гидраты

Рисунок 8. Завод по переработке природного газа McMahon в Тейлоре, Британская Колумбия, Канада.

Огромные количества природного газа (в основном метана) существуют в виде гидратов под отложениями на шельфе континентальных шельфов и на суше в арктических регионах с вечной мерзлотой, например, в Сибири. Для образования гидратов требуется сочетание высокого давления и низкой температуры.

В 2010 году стоимость добычи природного газа из кристаллизованного природного газа оценивалась в 100–200 процентов от стоимости добычи природного газа из традиционных источников и даже выше из морских месторождений.

В 2013 году Японская национальная корпорация нефти, газа и металлов (JOGMEC) объявила, что они извлекли коммерчески значимые количества природного газа из гидрата метана.

Истощение

Добыча природного газа в США достигла пика в 1973 году и превысила второй более низкий пик в 2001 году, но недавно снова достигла пика и продолжает расти.

использует

Природный газ в средней части потока

Природный газ, протекающий в распределительных линиях и на устье скважины, часто используется для питания двигателей, работающих на природном газе. Эти двигатели вращают компрессоры для облегчения передачи природного газа. Эти компрессоры требуются в средней линии потока для повышения давления и повторного повышения давления природного газа в линии передачи по мере движения газа. Линии передачи природного газа простираются до завода или установки по переработке природного газа, которые удаляют углеводороды природного газа с более высокой молекулярной массой для получения значения британской тепловой единицы (BTU) от 950 до 1050 BTU.Затем обработанный природный газ можно использовать в жилых, коммерческих и промышленных целях.

Часто газы в средней части потока и в устье скважины требуют удаления многих из различных углеводородов, содержащихся в природном газе. Некоторые из этих газов включают гептан, пентан, пропан и другие углеводороды с молекулярной массой выше метана (Ch5) для производства топлива из природного газа, которое используется для работы двигателей, работающих на природном газе, для дальнейшей передачи под давлением. Как правило, компрессорам природного газа требуется от 950 до 1050 БТЕ на кубический фут для работы в соответствии со спецификациями ротационной таблички двигателей, работающих на природном газе.

Несколько методов используются для удаления этих высокомолекулярных газов для использования в двигателе, работающем на природном газе. Вот несколько технологий:

• Полозья Джоуля – Томсона
• Криогенная или охлаждающая система
• Система химической энзимологии

Производство электроэнергии

Природный газ является основным источником выработки электроэнергии за счет использования когенерации, газовых и паровых турбин. Природный газ также хорошо подходит для комбинированного использования в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер или солнце, и для питания электростанций с пиковой нагрузкой, работающих в тандеме с гидроэлектростанциями.Большинство сетевых пиковых электростанций и некоторые автономные двигатели-генераторы используют природный газ. Особенно высокий КПД может быть достигнут за счет объединения газовых турбин с паровой турбиной в режиме комбинированного цикла. Природный газ горит более чисто, чем другие углеводородные виды топлива, такие как нефть и уголь, и производит меньше углекислого газа на единицу выделяемой энергии. Для транспорта при сжигании природного газа образуется примерно на 30 процентов меньше углекислого газа, чем при сжигании нефти. Для эквивалентного количества тепла сжигание природного газа дает примерно на 45 процентов меньше энергии, чем сжигание угля.Управление энергетической информации США сообщает о следующих выбросах двуокиси углерода в мире в 2012 году в миллионах метрических тонн:

• Природный газ: 6,799
• Нефть: 11,695
• Уголь: 13,787

При производстве электроэнергии на угле выделяется около 2 000 фунтов диоксида углерода на каждый выработанный мегаватт-час, что почти вдвое превышает объем выбросов углекислого газа электростанцией, работающей на природном газе, на выработанный мегаватт-час. Из-за более высокой углеродной эффективности производства природного газа, поскольку топливный баланс в Соединенных Штатах изменился, чтобы сократить уголь и увеличить производство природного газа, выбросы диоксида углерода неожиданно снизились.Показатели, измеренные в первом квартале 2012 года, были самыми низкими из всех зарегистрированных за первый квартал любого года с 1992 года.

Производство электроэнергии с комбинированным циклом с использованием природного газа в настоящее время является наиболее чистым доступным источником энергии с использованием углеводородного топлива, и эта технология широко и все чаще используется, поскольку природный газ можно получить по все более разумным ценам. Технология топливных элементов может в конечном итоге предоставить более чистые варианты преобразования природного газа в электричество, но пока она не является конкурентоспособной по цене.Электроэнергия и тепло, производимые на месте с использованием ТЭЦ, работающей на природном газе, считаются энергоэффективными и быстрым способом сокращения выбросов углерода. Популярность электростанций, работающих на природном газе, растет, и они вырабатывают 22% всей электроэнергии в мире. Примерно вдвое меньше, чем на угле.

Для домашнего использования

Природный газ, подаваемый из простой плиты, может генерировать температуру выше 1100 ° C (2000 ° F), что делает его мощным домашним топливом для приготовления пищи и отопления.В большинстве развитых стран он поставляется по трубам в дома, где используется для многих целей, включая плиты и печи, сушилки для одежды с газовым обогревом, отопление / охлаждение и центральное отопление. Обогреватели в домах и других зданиях могут включать котлы, печи и водонагреватели.

Сжатый природный газ (КПГ) используется в сельских домах без подключения к водопроводным коммунальным службам или с переносными грилями. Природный газ также поставляется независимыми поставщиками природного газа в рамках программ Natural Gas Choice на всей территории Соединенных Штатов.Однако, поскольку КПГ стоит больше, чем СНГ, СНГ (пропан) является доминирующим источником газа в сельской местности.

Транспорт

Рис. 9. Метробус в Вашингтоне, округ Колумбия, работающий на природном газе.

CNG — более чистая и более дешевая альтернатива другим автомобильным видам топлива, таким как бензин (бензин) и дизельное топливо. К концу 2012 года в мире насчитывалось 17,25 миллиона автомобилей, работающих на природном газе, в первую очередь Иран (3,3 миллиона), Пакистан (3,1 миллиона), Аргентина (2,18 миллиона), Бразилия (1,73 миллиона), Индия (1.5 миллионов) и Китай (1,5 миллиона). Энергоэффективность обычно такая же, как у бензиновых двигателей, но ниже по сравнению с современными дизельными двигателями. Транспортные средства с бензиновым / бензиновым двигателем, переоборудованные для работы на природном газе, страдают из-за низкой степени сжатия их двигателей, что приводит к снижению передаваемой мощности при работе на природном газе (10% –15%). Однако двигатели, специально предназначенные для КПГ, используют более высокую степень сжатия из-за более высокого октанового числа этого топлива, составляющего 120–130.

Уголь

Рисунок 10.Каменный уголь

Уголь (от древнеанглийского термина col , что с XIII века означало «минерал из окаменелого углерода») — это горючая черная или коричневато-черная осадочная порода, обычно встречающаяся в пластах или жилах породы, называемая углем . пластов или угольных пластов . Более твердые формы, такие как антрацитовый уголь, можно рассматривать как метаморфическую породу из-за более позднего воздействия повышенных температуры и давления. Уголь состоит в основном из углерода, а также других элементов, в основном водорода, серы, кислорода и азота.

На протяжении всей истории уголь использовался как энергетический ресурс, в основном сжигаемый для производства электроэнергии и / или тепла, а также в промышленных целях, таких как рафинирование металлов. В качестве ископаемого топлива уголь образуется, когда мертвые растительные вещества превращаются в торф, который, в свою очередь, превращается в лигнит, затем полубитуминозный уголь, затем битуминозный уголь и, наконец, антрацит. Это связано с биологическими и геологическими процессами, которые происходят в течение длительного периода. Управление энергетической информации США оценивает запасы угля в 948 × 10 ⁹ коротких тонны (860 Гт).По одной оценке, ресурсы составляют 18 000 Гт.

Уголь является крупнейшим источником энергии для производства электроэнергии во всем мире, а также одним из крупнейших в мире антропогенных источников выбросов диоксида углерода. В 1999 году мировые валовые выбросы диоксида углерода в результате использования угля составили 8 666 миллионов тонн диоксида углерода. В 2011 году мировые валовые выбросы от использования угля составили 14 416 миллионов тонн. При производстве электроэнергии на угле выделяется около 2000 фунтов углекислого газа на каждый мегаватт-час, что почти вдвое больше, чем примерно 1100 фунтов углекислого газа, выбрасываемого электростанцией, работающей на природном газе, на выработанный мегаватт-час.Из-за более высокой углеродной эффективности производства природного газа, поскольку рынок в Соединенных Штатах изменился в сторону сокращения угля и увеличения производства природного газа, выбросы диоксида углерода снизились. Показатели, измеренные в первом квартале 2012 года, были самыми низкими из всех зарегистрированных за первый квартал любого года с 1992 года. В 2013 году глава климатического агентства ООН посоветовал оставить большую часть мировых запасов угля в земле, чтобы избежать катастрофических последствий. глобальное потепление.

Уголь извлекается из земли путем добычи угля, либо подземным путем шахтным способом, либо на уровне земли путем добычи открытым способом.С 1983 года крупнейшим производителем угля в мире является Китай. В 2011 году Китай добыл 3 520 млн тонн угля — 49,5% от 7 695 млн тонн мировой добычи угля. В 2011 году другими крупными производителями были США (993 миллиона тонн), Индия (589), Европейский Союз (576) и Австралия (416). В 2010 году крупнейшими экспортерами были Австралия с 328 миллионами тонн (27,1% мирового экспорта угля) и Индонезия с 316 миллионами тонн (26,1%), в то время как крупнейшими импортерами были Япония с 207 миллионами тонн (17.5% мирового импорта угля), Китай — 195 млн тонн (16,6%) и Южная Корея — 126 млн тонн (10,7%).

Формация

Рис. 11. Обнаружение берега пласта Мыс Акони (Новая Шотландия)

В разное время геологического прошлого на Земле были густые леса в низинных заболоченных территориях. Из-за естественных процессов, таких как наводнение, эти леса были погребены под землей. По мере того, как на них оседало все больше и больше почвы, они сжимались. Температура также повышалась, когда они опускались все глубже и глубже.По мере продолжения процесса растительный материал защищался от биоразложения и окисления, обычно с помощью грязи или кислой воды. Это задержало углерод в огромных торфяных болотах, которые в конечном итоге были покрыты и глубоко погребены отложениями. Под высоким давлением и высокой температурой мертвая растительность медленно превращалась в уголь. Поскольку уголь содержит в основном углерод, превращение мертвой растительности в уголь называется карбонизацией.

Широкие мелководные моря каменноугольного периода обеспечивали идеальные условия для образования угля, хотя уголь известен с большинства геологических периодов.Исключение составляет угольная пропасть в период пермско-триасового вымирания, где уголь встречается редко. Уголь известен из пластов докембрия, которые появились раньше наземных растений — предполагается, что этот уголь образовался из остатков водорослей.

Звания

Поскольку геологические процессы оказывают давление на мертвый биотический материал с течением времени, при подходящих условиях его метаморфическая степень последовательно увеличивается до:

• Торф , который считается прекурсором угля, имеет промышленное значение в качестве топлива в некоторых регионах, например, в Ирландии и Финляндии.В обезвоженном виде торф является высокоэффективным абсорбентом разливов топлива и нефти на суше и в воде. Он также используется в качестве кондиционера для почвы, чтобы она лучше удерживала и медленно выделяла воду.
• Бурый уголь , или бурый уголь, является самым низким сортом угля и используется почти исключительно в качестве топлива для выработки электроэнергии. Гет, компактная форма лигнита, иногда полируется и используется в качестве поделочного камня с верхнего палеолита.
• Полубитуминозный уголь , свойства которого варьируются от лигнита до битуминозного угля, используется в основном в качестве топлива для пароэлектрической генерации и является важным источником легких ароматических углеводородов для промышленности химического синтеза.
• Битуминозный уголь представляет собой плотную осадочную породу, обычно черного, но иногда темно-коричневого цвета, часто с четко выраженными полосами яркого и тусклого материала; он используется в основном в качестве топлива при пароэлектрической выработке электроэнергии, при этом значительные количества используются для производства тепла и электроэнергии, а также для производства кокса.
• « Энергетический уголь » — это сорт между битуминозным углем и антрацитом, который когда-то широко использовался в качестве топлива для паровозов. В этом специализированном использовании он иногда известен как «морской уголь» в Соединенных Штатах.Мелкий энергетический уголь (сухой малый паровой орех или ДССН) использовался в качестве топлива для нагрева воды для бытовых нужд.
• Антрацит , высший сорт угля, представляет собой более твердый глянцевый черный уголь, используемый в основном для отопления жилых и коммерческих помещений. Его можно далее разделить на метаморфно измененный битуминозный уголь и «окаменелую нефть», как из месторождений в Пенсильвании.
• Графит , технически высший класс, трудно воспламеняется и обычно не используется в качестве топлива — он в основном используется в карандашах, а в порошкообразном виде — в качестве смазочного материала.

Классификация угля обычно основана на содержании летучих веществ. Однако точная классификация варьируется в зависимости от страны. По немецкой классификации уголь классифицируется следующим образом:

Шесть средних классов в таблице представляют собой постепенный переход от англоязычного суббитуминозного к битуминозному углю, в то время как последний класс является приблизительным эквивалентом антрацита, но более инклюзивным (антрацит США содержит <6% летучих веществ) .

Каннельный уголь (иногда называемый «свечным углем») представляет собой разновидность мелкозернистого высокосортного угля со значительным содержанием водорода. Он состоит в основном из «экзинитных» мацералов, теперь называемых «липтинитом».

Закон Хилта

Закон Хилта — это геологический термин, который гласит, что на небольшой территории, чем глубже уголь, тем выше его класс (сорт). Закон верен, если градиент температуры полностью вертикальный, но метаморфизм может вызвать латеральные изменения ранга, независимо от глубины.

Содержимое

Использует сегодня

Уголь в качестве топлива

Рис. 12. Электростанция Castle Gate возле Хелпера, Юта, США

Уголь в основном используется в качестве твердого топлива для производства электроэнергии и тепла путем сжигания.Мировое потребление угля составило около 7,25 млрд тонн в 2010 году (7,99 млрд коротких тонн) и, как ожидается, увеличится на 48% до 9,05 млрд тонн (9,98 млрд коротких тонн) к 2030 году.

В 2011 году Китай произвел 3,47 млрд тонн (3,83 млрд коротких тонн). В 2011 году Индия произвела около 578 млн тонн (637,1 млн коротких тонн). 68,7% электроэнергии Китая вырабатывается из угля. США потребили около 13% мирового потребления в 2010 году, то есть 951 миллион тонн (1,05 миллиарда коротких тонн), используя 93% из них для производства электроэнергии.46% всей электроэнергии, произведенной в США, было произведено с использованием угля.

Когда уголь используется для производства электроэнергии, его обычно измельчают, а затем сжигают (сжигают) в печи с котлом. Тепло печи преобразует котловую воду в пар, который затем используется для вращения турбин, которые вращают генераторы и вырабатывают электричество. Термодинамическая эффективность этого процесса со временем улучшалась; некоторые старые угольные электростанции имеют тепловой КПД около 25%, тогда как новейшие сверхкритические и «сверхсверхкритические» турбины парового цикла, работающие при температурах выше 600 ° C и давлениях более 27 МПа (более 3900 фунтов на квадратный дюйм), могут практически достижение теплового КПД более 45% (на основе LHV) при использовании антрацитового топлива или около 43% (на основе LHV) даже при использовании низкосортного бурого топлива.Дальнейшее повышение термической эффективности также достигается за счет улучшенной предварительной сушки (особенно актуальной для топлива с высоким содержанием влаги, такого как бурый уголь или биомасса) и технологий охлаждения.

Рис. 13. Угольные вагоны

Альтернативный подход к использованию угля для производства электроэнергии с повышенным КПД — это электростанция с комбинированным циклом с интегрированной газификацией (IGCC). Вместо того, чтобы измельчать уголь и сжигать его непосредственно в качестве топлива в парогенерирующем котле, уголь можно сначала газифицировать (см. Газификация угля) для создания синтез-газа, который сжигается в газовой турбине для производства электроэнергии (точно так же, как сжигается природный газ. в турбине).Горячие выхлопные газы турбины используются для подъема пара в парогенераторе с рекуперацией тепла, который приводит в действие дополнительную паровую турбину. Тепловая эффективность существующих электростанций IGCC колеблется от 39-42% (на основе HHV) или ~ 42-45% (на основе LHV) для битуминозного угля и при условии использования основных технологий газификации (Shell, GE Gasifier, CB&I). Электростанции IGCC превосходят обычные электростанции, работающие на пылеугольном топливе, с точки зрения выбросов загрязняющих веществ и позволяют относительно легко улавливать углерод.

Не менее 40% электроэнергии в мире вырабатывается из угля, и в 2012 году около одной трети электроэнергии в Соединенных Штатах вырабатывается из угля, по сравнению с примерно 49% в 2008 году. производство электроэнергии сокращалось, так как большие запасы природного газа, полученного путем гидроразрыва плотных сланцевых пластов, стали доступны по низким ценам.

В Дании на угольной ТЭЦ Nordjyllandsværket получен чистый электрический КПД> 47%, а общий КПД станции достигает 91% с когенерацией электроэнергии и централизованного теплоснабжения.Многотопливная ТЭЦ Avedøreværket недалеко от Копенгагена может достичь чистого электрического КПД до 49%. Общий КПД станции с когенерацией электроэнергии и централизованного теплоснабжения может достигать 94%.

Альтернативной формой сжигания угля является водоугольное топливо (CWS), которое было разработано в Советском Союзе. CWS значительно снижает выбросы, улучшая теплотворную способность угля. Другими способами использования угля являются комбинированное производство тепла и электроэнергии и цикл доливки MHD.

Всего известных месторождений, извлекаемых с помощью современных технологий, включая сильно загрязняющие виды угля с низким содержанием энергии (например, бурый уголь, битуминозный), достаточно на многие годы. Однако потребление увеличивается, и максимальная добыча может быть достигнута в течение десятилетий (см. Мировые запасы угля ниже). С другой стороны, возможно, придется многое оставить в земле, чтобы избежать изменения климата.

Газификация

Газификацию угля можно использовать для производства синтез-газа, смеси монооксида углерода (CO) и водорода (H ₂ ).Синтез-газ часто используется для зажигания газовых турбин для производства электроэнергии, но универсальность синтез-газа также позволяет преобразовывать его в транспортное топливо, такое как бензин и дизельное топливо, с помощью процесса Фишера-Тропша; в качестве альтернативы синтез-газ может быть преобразован в метанол, который может быть непосредственно смешан с топливом или преобразован в бензин посредством процесса превращения метанола в бензин. ^[59] Газификация в сочетании с технологией Фишера-Тропша в настоящее время используется химической компанией Sasol в Южной Африке для производства моторного топлива из угля и природного газа.В качестве альтернативы водород, полученный в результате газификации, можно использовать для различных целей, таких как обеспечение экономии водорода, производство аммиака или улучшение качества ископаемого топлива.

Во время газификации уголь смешивается с кислородом и паром, а также нагревается и находится под давлением. Во время реакции молекулы кислорода и воды окисляют уголь до окиси углерода (CO), одновременно выделяя газообразный водород (H ₂ ). Этот процесс применялся как на подземных угольных шахтах, так и при добыче городского газа.

C ( как уголь ) + O ₂ + H ₂ O → H ₂ + CO

Если нефтепереработчик хочет производить бензин, синтез-газ собирается в этом состоянии и направляется в реакцию Фишера-Тропша. Однако, если желаемым конечным продуктом является водород, синтез-газ подают в реакцию конверсии водяного газа, где выделяется больше водорода.

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂

В прошлом уголь преобразовывался в угольный газ (городской газ), который подавался по трубам для сжигания для освещения, отопления и приготовления пищи.

Сжижение

также может быть преобразован в синтетическое топливо, эквивалентное бензину или дизельному топливу, с помощью нескольких различных прямых процессов (которые по сути не требуют газификации или косвенного преобразования). В процессах прямого ожижения уголь гидрогенизируется или карбонизируется. Процессы гидрирования — это процесс Бергиуса, процессы SRC-I и SRC-II (рафинированный уголь с использованием растворителя), процесс гидрирования NUS Corporation и несколько других одностадийных и двухступенчатых процессов.В процессе низкотемпературной карбонизации уголь коксуется при температуре от 360 до 750 ° C (от 680 до 1380 ° F). Эти температуры оптимизируют производство каменноугольных смол, более богатых более легкими углеводородами, чем обычная каменноугольная смола. Затем каменноугольная смола перерабатывается в топливо. Доступен обзор сжижения угля и его будущего потенциала.

Методы ожижения угля включают выбросы диоксида углерода (CO ₂ ) в процессе конверсии. Если сжижение угля осуществляется без использования технологий улавливания и хранения углерода (CCS) или смешивания биомассы, результатом жизненного цикла будут выбросы парниковых газов, которые, как правило, больше, чем выбросы при добыче и переработке жидкого топлива при производстве жидкого топлива из сырой нефти.Если используются технологии CCS, на установках из угля в жидкость (CTL) может быть достигнуто снижение на 5–12%, а при совместной газификации угля с коммерчески подтвержденными уровнями биомассы (30% биомассы по весу) можно достичь сокращения до 75%. на заводах по переработке угля / биомассы в жидкости. Для будущих проектов создания синтетического топлива предлагается связывание диоксида углерода, чтобы избежать выброса CO ₂ в атмосферу. Секвестрация увеличивает стоимость производства.

Уголь рафинированный

Рафинированный уголь является продуктом технологии обогащения угля, которая удаляет влагу и некоторые загрязнители из низкосортных углей, таких как полубитуминозные и бурые угли.Это одна из форм нескольких предварительных обработок и процессов обработки угля, которые изменяют характеристики угля перед его сжиганием. Цели угольных технологий предварительного сжигания заключаются в повышении эффективности и сокращении выбросов при сжигании угля. В зависимости от ситуации, технология предварительного сжигания может использоваться вместо или в качестве дополнения к технологиям дожигания для контроля выбросов от котлов, работающих на угле.

Промышленные процессы

Мелкоизмельченный битуминозный уголь, известный в данной заявке как морской уголь, является составной частью формовочного песка.Пока расплавленный металл находится в форме, уголь медленно горит, выделяя восстановительные газы под давлением, предотвращая проникновение металла в поры песка. Он также содержится в «промывке формы», пасте или жидкости с той же функцией, применяемой к форме перед отливкой. Морской уголь можно смешивать с глиняной футеровкой («бод»), используемой для дна вагранки. При нагревании уголь разлагается, и тело становится слегка рыхлым, что облегчает процесс взлома открытых отверстий для выпуска расплавленного металла.

Производство химикатов

Уголь является важным сырьем при производстве широкого спектра химических удобрений и других химических продуктов. Основным способом получения этих продуктов является газификация угля для производства синтез-газа. Первичные химические вещества, которые производятся непосредственно из синтез-газа, включают метанол, водород и монооксид углерода, которые являются химическими строительными блоками, из которых производится целый спектр производных химических веществ, включая олефины, уксусную кислоту, формальдегид, аммиак, мочевину и другие.Универсальность синтез-газа в качестве прекурсора для первичных химикатов и дорогостоящих производных продуктов дает возможность использовать относительно недорогой уголь для производства широкого спектра ценных товаров.

Исторически сложилось так, что производство химикатов из угля использовалось с 1950-х годов и уже прочно вошло на рынок. Согласно Всемирной базе данных по газификации за 2010 год, обзору действующих и планируемых газификаторов, с 2004 по 2007 год химическое производство увеличило свою долю продуктов газификации с 37% до 45%.С 2008 по 2010 год 22% новых газификаторов должны были приходиться на химическое производство.

Поскольку в составе химических продуктов, которые могут быть произведены посредством газификации угля, можно, как правило, также использовать сырье, полученное из природного газа и нефти, химическая промышленность имеет тенденцию использовать любое сырье, которое является наиболее рентабельным. Следовательно, интерес к использованию угля имеет тенденцию возрастать в связи с повышением цен на нефть и природный газ и в периоды высоких темпов роста мировой экономики, которые могут затруднить добычу нефти и газа.Кроме того, производство химикатов из угля представляет гораздо больший интерес в таких странах, как Южная Африка, Китай, Индия и США, где имеются богатые запасы угля. Изобилие угля в сочетании с нехваткой ресурсов природного газа в Китае является сильным стимулом для развития угольной промышленности в химической промышленности. В Соединенных Штатах лучшим примером отрасли является компания Eastman Chemical Company, которая успешно эксплуатирует завод по переработке угля на своем предприятии в Кингспорте, штат Теннесси, с 1983 года.Точно так же Sasol построила и эксплуатировала предприятия по переработке угля в Южную Африку.

Уголь для химических процессов требует значительного количества воды. По состоянию на 2013 год большая часть угля для химической промышленности приходилась на Китайскую Народную Республику, где экологическое регулирование и управление водными ресурсами были слабыми.

Мировые запасы угля

Извлекаемые запасы угля в размере 948 миллиардов коротких тонн, оцененные Управлением энергетической информации, составляют около 4 196 баррелей нефтяного эквивалента.Количество сожженного угля в 2007 году оценивается в 7,075 миллиарда коротких тонн, или 133,179 квадриллиона БТЕ. Это в среднем 18,8 млн БТЕ на короткую тонну. По теплосодержанию это около 57 000 000 баррелей (9 100 000 м 3 ³ ) нефтяного эквивалента в сутки. Для сравнения, в 2007 году природный газ давал 51 000 000 баррелей (8 100 000 м ³ ) нефтяного эквивалента в день, в то время как нефть давала 85 800 000 баррелей (13 640 000 м ³ ) в день.

Рисунок 14.Угольная шахта в Вайоминге, США. Соединенные Штаты обладают крупнейшими в мире запасами угля.

Бритиш Петролеум в своем отчете за 2007 год оценил на конец 2006 года, что соотношение запасов и добычи составляло 147 лет, исходя из доказанных запасов угля во всем мире. Эта цифра включает только запасы, классифицированные как «доказанные»; Программы разведочного бурения горнодобывающих компаний, особенно на малоизученных территориях, постоянно дают новые запасы. Во многих случаях компаниям известно об угольных месторождениях, которые не были пробурены в достаточной степени, чтобы их можно было квалифицировать как «доказанные».Однако некоторые страны не обновили свою информацию и предполагают, что резервы останутся на том же уровне даже после вывода средств.

Из трех ископаемых видов топлива уголь имеет наиболее распространенные запасы; уголь добывается более чем в 100 странах и на всех континентах, кроме Антарктиды. Самые большие запасы находятся в США, России, Китае, Австралии и Индии.

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе.В этом коротком тесте , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать его неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

Минеральные ресурсы — обзор

4.1 Введение

Минеральные ресурсы разрабатывались людьми на протяжении тысяч лет для получения драгоценных металлов для их использования и экономической ценности.Горнодобывающие отрасли оставались сравнительно небольшими до промышленной революции и после технического прогресса. Чрезмерный рост и богатство населения увеличили спрос на некоторые материалы, особенно такие элементы, как золото, серебро, железо, алюминий, сырая нефть и уголь (Johnson, 2003; Elshkaki et al., 2018; Lèbre et al., 2019). В то же время горнодобывающая деятельность непредсказуемо влияет на окружающую среду, изменяя ее физические, химические и биологические свойства, затрагивая все живые организмы, включая человека (Fazekašová and Fazekaš, 2020; Mishra and Das, 2020; Prematuri et al., 2020). При добыче металлов и угля образуется огромное количество отходов. Он может состоять из отвалов, развалин и использоваться в качестве отвалов или самосвалов. Эти металлы хранятся в больших кучах или насыпях на земле для дальнейшей обработки или на свалках. Отходы или побочные продукты отвалов сильно различаются и содержат несколько химически реактивных и инертных компонентов (Nawab et al., 2015; Ding et al., 2017; Fazekašová and Fazekaš, 2020; Prematuri et al., 2020). Эти реактивные компоненты стекают с дождями или выщелачиваются в почву и много раз в грунтовые воды (Луис и др., 2011; Cidu и др., 2012; Pourret и др., 2016). Другой эндемичной проблемой, связанной с заброшенными участками шахт, является образование кислотных сбросных вод, которые состоят из значительного количества растворенного сульфата железа и различных тяжелых металлов (ТМ) и металлоидов (Gilchrist et al., 2009; Cidu et al. , 2012).

Что наиболее важно, экологические проблемы зависят от типа метода добычи и географического положения участков добычи (Mhlongo and Amponsah-Dacosta, 2015).Например, открытые горные работы вызывают другие нарушения земельных ресурсов, чем подземные горные работы. Несколько тематических исследований показывают, что заброшенные участки добычи полезных ископаемых вызвали проблемы для местной окружающей среды. Например, заброшенные медные рудники под названием Mynydd Parys, расположенные в Соединенном Королевстве, остаются бесплодными из-за токсического воздействия выветривания поверхностных материалов (Johnson, 2003). Исследование показало, что доминирующими минералами, обнаруженными в руде, являются галенит (PbS), халькопирит (CuFeS2), пирит (FeS2) и сфалерит (ZnS).Наиболее частыми проблемами заброшенных шахтных участков являются изменение ландшафта, изменение свойств почвы, резкий уровень pH, неиспользуемые шахты и ямы, изменение режима поверхностных и подземных вод, проседание, заброшенные участки, изменение растительного покрова и т. Д. (Mhlongo и Amponsah-Dacosta, 2015; Jain and Das, 2017) (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Проблемы связанные с майнингом.

Помимо заботы об окружающей среде, добыча полезных ископаемых влияет на социально-экономический статус местных сообществ. Во время установки рудника он приносит много инвестиций, которые приносят пользу местным сообществам за счет создания рабочих мест, развития новой инфраструктуры, такой как питьевая вода, электричество, здравоохранение и школы.Социально-экономические возможности открывают новые пути для поселения новых сообществ вокруг рудников; таким образом, рудники многократно становятся густонаселенными. Но после того, как шахты будут заброшены, неблагоприятные условия окружающей среды отрицательно скажутся на качестве жизни и средствах к существованию местного населения (Mhlongo and Amponsah-Dacosta, 2015).

Минеральные ресурсы

Что такое минерал?

Минерал — это природное твердое вещество с определенным химическим составом и кристаллической структурой.Минералы составляют основу нашего повседневного мира. Минералы не только составляют камни, которые мы видим вокруг нас на Западе, они также используются почти во всех аспектах нашей жизни. Минералы, обнаруженные в горных породах Запада, используются в промышленности, строительстве, машиностроении, технологиях, еде, косметике, ювелирных изделиях и даже в бумаге, на которой напечатаны эти слова.

Элементы: строительные блоки из минералов

Элементы — это строительные блоки из минералов. Например, минеральный кварц состоит из элементов кремния и кислорода и, в свою очередь, также является основным компонентом многих горных пород.Большинство минералов, присутствующих в природе, не состоят из одного элемента, хотя есть исключения, такие как золото. Такие элементы, как медь (Cu), свинец (Pb), цинк (Zn) и даже серебро (Ag), золото (Au) и алмаз (C), не редкость, но обычно они широко распространены в породах и встречаются. при очень низких средних концентрациях. Восемь элементов составляют (по весу) 99% земной коры, из которых наиболее распространен кислород (46,4%). Остальные элементы в земной коре встречаются в очень небольших количествах, некоторые в концентрациях всего лишь доли процента (рис.1). Поскольку кремний (Si) и кислород (O) являются наиболее распространенными элементами в коре по массе, для силикатов (например, полевого шпата, кварца и граната) имеет смысл быть одними из наиболее распространенных минералов в земной коре и также можно найти по всему Западу.

Минералы служат строительными блоками для горных пород. Например, гранит, вулканическая порода, обычно состоит из кристаллов полевого шпата, кварца, слюды и амфибола. Песчаник может состоять из цементированных зерен полевого шпата, кварца и слюды.Минералы и связи между кристаллами определяют цвет породы и устойчивость к атмосферным воздействиям.

Рис. 5.1: Массовая доля минералов в земной коре.

Металлические минералы жизненно важны для механизмов и технологий современной цивилизации. Однако многие металлические минералы встречаются в коре в количествах, которые можно измерить только в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb). Минерал называется рудой, если один или несколько его элементов могут быть эффективно удалены, и почти всегда необходимо обрабатывать рудные минералы, чтобы выделить полезный элемент.Например, халькопирит (CuFeS ₂ ), содержащий медь, железо и серу, называют медной рудой, если медь можно с выгодой извлечь из железа и серы.

Неметаллические минералы не имеют отблеска металла, хотя они могут иметь блеск алмаза или шелковистый вид гипса (CaSO ₄ • 2H ₂ O). Как правило, неметаллические минералы имеют гораздо более светлый цвет, чем металлические минералы, но могут пропускать свет, по крайней мере, по краям или через небольшие фрагменты.

Идентификация минералов

Минералы определяются по их химическому составу и кристаллической структуре, но идентифицируются по их физическим свойствам. При идентификации минерала обычно необходимо использовать множество свойств, каждое из которых исключает возможные альтернативы.

Твердость — очень полезное свойство для идентификации, поскольку данный минерал может проявлять только узкий диапазон твердости, и его легко тестировать, что быстро и просто сводит к минимуму количество возможных вариантов.

Твердость важна, потому что она помогает нам понять, почему некоторые породы более или менее устойчивы к атмосферным воздействиям и эрозии. Кварц с оценкой 7 по шкале Мооса является относительно твердым минералом, но кальцит (CaCO ₃ ) с оценкой 3 по шкале Мооса значительно мягче. Поэтому неудивительно, что кварцевый песчаник гораздо более устойчив к эрозии и атмосферным воздействиям, чем известняк, который в основном состоит из кальцита. Кварц — очень распространенный минерал в земной коре, довольно устойчивый из-за своей твердости и относительной нерастворимости.Таким образом, зерна кварца являются доминирующим минеральным типом почти во всех типах песка.

Шкала твердости Мооса

В 1824 году австрийский минералог Фридрих Моос отобрал десять минералов, с которыми можно было сравнить все другие минералы, чтобы определить их относительную твердость. Шкала стала известна как шкала твердости Мооса, и она остается очень полезной в качестве средства для идентификации минералов или для быстрого определения их твердости. Ноготь имеет твердость около 2, пенни 3, оконное стекло 5.5 и лезвие ножа 6.5.

Цвет помогает идентифицировать некоторые минералы, такие как сера, но неинформативен или даже вводит в заблуждение в отношении других, таких как гранат.Блеск описывает, как свет отражается от поверхности минерала и может варьироваться от адамантинового, видимого в алмазах, до тусклого или землистого (фактически без блеска), например каолинита. Форма кристалла, если она видна, также может быть диагностической. Например, флюорит и кальцит могут казаться внешне похожими, но флюорит образует кубические кристаллы, а кальцит образует тригонально-ромбоэдрические кристаллы. Соответственно, у кристаллов могут быть плоскости ослабления, которые вызывают их характерное разрушение, называемое расколом. Или они могут не работать, и вместо этого при поломке появляется трещина.Слюда и графит имеют очень сильное расщепление, что позволяет легко разбивать их на тонкие листы, в то время как кварц и стекло (последнее не является минералом) не имеют расщепления, а вместо этого демонстрируют характерную изогнутую форму трещины, известную как конхоидальная. Плотность минерала также может помочь в его идентификации (например, металлы имеют тенденцию быть очень плотными). Определить точную плотность несложно, но для этого необходимо измерить объем образца. Помещение неизвестного минерала в воду (или другую жидкость) для определения его объема путем вытеснения может быть рискованным делом, поскольку некоторые минералы бурно вступают в реакцию с водой, а многие другие разрушаются под воздействием воздействия.Полоса минерала получается, если провести ее по фарфоровой пластине, эффективно присыпав ее. Цвет порошка устраняет сопутствующие факторы внешнего выветривания, формы кристаллов, примесей и т. Д. Некоторые минералы являются магнитными (подвержены влиянию магнитных полей), а некоторые являются естественными магнитами (способными создавать магнитное поле).

Есть много других интересных и отличительных свойств, которыми могут обладать минералы, и есть много более сложных и точных средств их идентификации.Раздел геологии, изучающий химические и физические свойства и образование минералов, называется минералогией.

Большинство минералов может быть идентифицировано путем исключения после изучения нескольких. Обзор этих свойств и консультации с руководством по идентификации минералов. Наборы для проверки минералов часто включают в себя несколько обычных предметов, используемых для проверки твердости: фарфоровую пластину с полосами, магнит и увеличительное стекло. Некоторые минералы обладают редкими свойствами, которые может быть труднее проверить.Например, есть минералы, которые проявляют люминесценцию всех типов, испуская свет из-за определенного стимула. Некоторые минералы радиоактивны, обычно из-за включения в их структуру значительных количеств урана, тория или калия. Карбонатные минералы будут вскипать при воздействии соляной кислоты. Двойное лучепреломление описывает результат прохождения света через материал, который разделяет его на два поляризованных набора лучей, удваивая изображения, просматриваемые через этот материал. Например, одна линия на листе бумаги будет выглядеть как две параллельные линии, если смотреть сквозь прозрачный кристалл кальцита.

Что отличает обычный минерал от драгоценного камня?

Красота, прочность и редкость минерала делают его драгоценным камнем. Красота относится к блеску, цвету, прозрачности и блеску минерала, хотя в некоторой степени это зависит от искусности огранки. Большинство драгоценных камней, включая турмалин, топаз и корунд, долговечны, потому что они твердые, что делает их устойчивыми к царапинам. По шкале твердости Мооса большинство драгоценных камней имеют значения выше 7.Изолированные месторождения полудрагоценных камней можно найти в большинстве штатов.

Минеральное образование

Минеральные месторождения на Западе имеют возраст от более одного миллиарда лет до нескольких тысяч или десятков тысяч лет, и их появление связано с различными процессами, протекающими в различных геологических средах. Экономически извлекаемые месторождения полезных ископаемых формируются геологическими процессами, которые могут избирательно концентрировать желаемые элементы на относительно небольшой площади.Эти процессы могут быть физическими или химическими, и их можно разделить на четыре категории:

Магматические процессы отделяют второстепенные элементы магмы от основных и концентрируют их в небольшом объеме горной породы. Это может включать раннюю кристаллизацию рудных минералов из магмы, в то время как большинство других компонентов остаются расплавленными, или позднюю кристаллизацию после того, как большинство других компонентов кристаллизовалось. Магматические процессы, ответственные за формирование месторождений полезных ископаемых на Западе, обычно связаны с магматическими интрузиями (образованными во время горообразования, рифтинга и вулканической активности), состав которых может варьироваться от гранитного (кислого) до габбро (основного).Метаморфизм также может вызвать перекристаллизацию минералов и концентрацию редких элементов. В условиях экстремально высокотемпературного метаморфизма минералы с самыми низкими температурами плавления в коре могут плавиться с образованием небольших количеств пегматитовых магм.

Гидротермальные процессы включают гидротермальные растворы, которые растворяют второстепенные элементы, рассредоточенные в больших объемах породы, переносят их в новое место и осаждают на небольшой площади в гораздо более высоких концентрациях.Гидротермальные растворы обычно соленые, кислые и имеют диапазон температур от более 600 ° C (~ 1100 ° F) до менее 60 ° C (140 ° F). Некоторые из этих жидкостей могут перемещаться на очень большие расстояния через проницаемые осадочные породы. В конце концов, гидротермальные флюиды осаждают свою высоко растворенную нагрузку элементов, создавая концентрированные отложения.

Осадочные процессы собирают элементы, рассредоточенные в больших объемах воды, и осаждают их в осадочной среде, такой как осадочные слои на дне океана или слои отложений на дне озер.Осадочные минеральные отложения образуются за счет прямых осадков из воды.

Выветривание и эрозия разрушают большие объемы горных пород физическими и химическими методами и собирают ранее рассредоточенные элементы или минералы в высококонцентрированные отложения. Остаточные отложения выветривания — это минеральные отложения, образованные в результате концентрации устойчивых к атмосферным воздействиям минералов, в то время как другие минералы вокруг них размываются и растворяются. Напротив, месторождения полезных ископаемых, образованные концентрацией минералов в движущихся водах, называются россыпными отложениями.На западе США россыпные отложения встречаются в реках и ручьях, которые несут более легкие отложения вниз по течению, но оставляют после себя тяжелые минералы, такие как золото. Россыпные отложения также могут возникать на прибрежных пляжах. Эрозия участков небольших жил с низким содержанием золота и последующая концентрация золота в виде осадка, в то время как другие полезные ископаемые были перенесены вниз по течению, привели к появлению сотен россыпных месторождений, которые разрабатывались по всей территории западных США в 19 веке. Добыча этих месторождений продолжается и сегодня.

Минералы на Западе

История западных штатов во многом определяется перспективами минеральных богатств. Погоня за золотом началась в 1840-х годах, когда Мексика уступила Соединенным Штатам большую часть территории, которая впоследствии стала Калифорнией. Открытие золота в Калифорнии привело к тому, что сюда стекались американцы с востока и иммигранты со всего мира. Идея обрести богатство за счет поиска золота стала фоном для новых сообществ и городов. По мере того, как район становился переполненным или заминированным, эти искатели золота переезжали в новые районы, в конечном итоге обнаружив серебро и золото в Неваде, а затем золото и другие полезные ископаемые в Вашингтоне и Орегоне.И, наконец, в конце 19 века они направились на Клондайк и на Аляску в поисках новых ударов. Полезные ископаемые, которые первые изыскатели искали в реках и ручьях, до сих пор добывают во многих регионах Запада.

Что такое гидротермальные растворы?

Горячая вода, обогащенная солями, такими как хлорид натрия (NaCl), хлорид калия (KCl) и хлорид кальция (CaCl ₂ ), называется гидротермальным раствором или просто «рассолом». Рассол такой же или даже более соленый, чем морская вода, и может содержать мельчайшие частицы растворенных минералов, таких как золото, свинец, медь и цинк.Присутствие соли в воде предотвращает осаждение металлических минералов из рассола, поскольку хлориды в соли предпочтительно связываются с металлами. Кроме того, поскольку рассол горячий, минералы растворяются легче, так же как горячий чай растворяет сахар легче, чем холодный чай. Эти рассолы с горячей водой могут иметь различное происхождение. По мере охлаждения магма выпускает обогащенную минералами, перегретую воду в окружающие породы. Дождевая вода превращается в гидротермальный раствор, собирая соль во время фильтрации через камни.Морская вода, которая уже обогащена солью, часто становится гидротермальным раствором в непосредственной близости от вулканической активности на дне океана, где тектонические плиты расходятся. Быстрое охлаждение гидротермального раствора на небольших расстояниях позволяет осаждать концентрации минералов. Вода, быстро движущаяся через трещины и отверстия в породе, испытывая изменения давления или состава и разбавляясь грунтовыми водами, может быстро охладить гидротермальный раствор.

Многие западные месторождения полезных ископаемых являются продуктом нескольких различных процессов обогащения, иногда действующих с разницей в десятки или сотни миллионов лет.Существует множество геологических сред, в которых эти процессы концентрирования минералов работали в течение последних миллиардов лет, создавая изобилие и разнообразие месторождений полезных ископаемых, обнаруживаемых сегодня на Западе (рис. 5.2), включая пассивные континентальные окраины (арктическое побережье Аляски). , вулканические островные дуги (Алеутские острова), горообразование (Сьерра-Невада, Каскады, хребет Брукс) и бассейны, образованные рифтовыми явлениями (бассейн и хребет Невады).

16 Энергия и минеральные ресурсы — Введение в геологию

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

• Опишите, чем возобновляемый ресурс отличается от невозобновляемого ресурса
• Сравните плюсы и минусы добычи и использования ископаемого топлива, включая нетрадиционные ресурсы
• Описать процесс образования и добычи металлических минералов
• Понимание использования неметаллических минеральных ресурсов

Олдуанский инструмент, используемый для колки, способ 1 В этом тексте обсуждаются пионеры в научном изучении геологии, такие как Джеймс Хаттон и Чарльз Лайель, но первыми «геологами» были гоминиды, которые подняли камни, начиная с каменного века.Может быть, камни сначала использовались как любопытные предметы, может быть, как оружие, но в конечном итоге они использовались как инструменты. Это был период палеолита, начало изучения геологии, и он восходит к восточной Африке 2,6 миллиона лет назад.

В наше время важным применением геологических знаний является поиск экономически ценных материалов для использования в обществе. Все предметы, которые мы используем, могут поступать только из трех источников: их можно выращивать, добывать или ловить, либо их можно добывать. На рубеже двадцатого века широко распространялись слухи о том, что запасы продовольствия не поспевают за мировым спросом, и необходимо будет разработать искусственные удобрения.Ингредиенты для удобрений добываются: азот из атмосферы с использованием процесса Габера, калий из гидросферы (озер или океанов) путем испарения и фосфор из литосферы (такие минералы, как апатит из фосфоритной породы, найденные во Флориде, Северной Каролине, Айдахо, Юта и по всему миру). Таким образом, без добычи полезных ископаемых не было бы современной цивилизации. Геологи играют важную роль в процессе добычи полезных ископаемых.

16,1 Горное дело

Карта мировых горнодобывающих районов. Горнодобывающая промышленность определяется как добыча из Земли ценного материала для использования в обществе.Обычно это твердые материалы (например, золото, железо, уголь, алмаз, песок и гравий), но могут также включать жидкие ресурсы, такие как нефть и природный газ. Современный майнинг имеет давние отношения с современным обществом. Самое древнее свидетельство добычи полезных ископаемых, в котором сосредоточена область копания в земле для поиска материалов, имеет историю, которая, возможно, восходит к гематиту (используемому в качестве красного красителя) из Львиной пещеры в Свазиленде 40 000 лет назад. Ресурсы, добываемые при добыче полезных ископаемых, обычно считаются невозобновляемыми.

16.1.1. Возобновляемые и невозобновляемые ресурсы

Ресурсы обычно делятся на две основные категории: возобновляемые, которые можно повторно использовать снова и снова или тиражировать в течение короткого (менее продолжительности жизни человека) времени, и невозобновляемые, что невозможно.

Плотина Гувера обеспечивает гидроэлектроэнергию и запасы воды для южной Невады. Возобновляемые ресурсы — это элементы, которые присутствуют в нашей окружающей среде, которые можно использовать и пополнять. Некоторые из наиболее распространенных источников энергии в этой категории связаны с ресурсами зеленой энергии, поскольку они связаны с воздействием на окружающую среду, которое относительно невелико или легко устранимо.Солнечная энергия — это энергия, возникающая в результате синтеза внутри Солнца, которое излучает электромагнитную энергию. Эта энергия достигает Земли постоянно и стабильно, и это должно продолжаться еще примерно 5 миллиардов лет. Энергия ветра, возможно, является самой старой формой возобновляемой энергии, используемой в парусных судах и ветряных мельницах. Энергия, генерируемая как солнечной, так и ветровой, на поверхности Земли различна. Эти ограничения могут быть устранены за счет использования устройств накопления энергии, таких как батареи или обмен электроэнергией между производственными площадками.Тепло Земли, известное как геотермальное, может быть жизнеспособным где угодно, если бурение ведется достаточно глубоко. На практике это более полезно там, где поток тепла велик, например, в вулканических зонах или регионах с более тонкой коркой. Плотины гидроэлектростанций вырабатывают энергию, позволяя воде проходить через плотины, активируя турбины, которые вырабатывают энергию. Океанские приливы также могут быть надежным источником энергии. Все эти типы возобновляемых ресурсов могут обеспечить энергией общество. К другим возобновляемым ресурсам, напрямую не связанным с энергией, относятся растения и животные, которые используются для производства продуктов питания, одежды и других предметов первой необходимости.

Естественная восьмигранная форма алмаза. Невозобновляемые ресурсы не могут пополняться устойчивыми темпами. Они конечны в пределах человеческой жизни. Многие невозобновляемые ресурсы являются в основном результатом планетарных, тектонических или долгосрочных биологических процессов и включают такие предметы, как золото, свинец, медь, алмазы, мрамор, песок, природный газ, нефть и уголь. Большинство невозобновляемых ресурсов используются для концентрации определенных элементов в периодической таблице. Например, если обществу нужны источники железа (Fe), то именно геолог-разведчик будет искать богатые железом месторождения, которые можно экономично добыть.От невозобновляемых ресурсов можно отказаться, когда другие материалы станут дешевле или лучше служат своей цели. Например, в Англии имеется много угля, но наличие нефти и природного газа в Северном море (с меньшими затратами и воздействием на окружающую среду) привело к сокращению использования угля.

Пластинчатые железные образования — важная руда железа (Fe). Элементы периодической таблицы находятся в материалах, из которых состоит Земля. Однако редко когда количество элемента может быть сконцентрировано до такой степени, когда извлечение и переработка материала в пригодный для использования продукт становится рентабельным.Любое место, где сосредоточено количество ценного материала, является геологической и геохимической аномалией. Если материал можно добыть с прибылью, тело представляет собой месторождение руды . Обычно термин руда используется только для металлосодержащих минералов, хотя концепция руды как невозобновляемого ресурса может применяться к ценным концентрациям ископаемого топлива, строительных камней и других неметаллических месторождений, даже грунтовых вод. Термин «природный ресурс» используется для этих типов материалов чаще, чем руда.

Подразумевается, что технология для добычи доступна, экономические условия являются подходящими, а политические, социальные и экологические соображения удовлетворены для того, чтобы отнести месторождение природных ресурсов к категории руд. В зависимости от вещества, оно может концентрироваться в узкой жилке или распространяться на большой площади в виде руды с низкой концентрацией.Некоторые материалы добываются непосредственно из водоемов (например, сильвит для калия; вода путем опреснения) и из атмосферы (например, азот для удобрений). Эти различия приводят к различным методам добычи и различиям в терминологии в зависимости от достоверности. Руда m минеральный ресурс используется для обозначения руды, которая потенциально может быть извлечена, а термин руда минеральные запасы используется для хорошо определенного (доказанного) прибыльного количества извлекаемой руды.

Рудник Бингем-Каньон, Юта. Этот карьер является крупнейшим в мире искусственным извлечением горной породы. Стиль добычи зависит от технологий, социальной лицензии и экономики. В интересах компании извлекать ресурсы, чтобы сделать это рентабельным способом. Жидкие ресурсы, такие как нефть и газ, добываются путем бурения скважин.С годами бурение превратилось в сложную дисциплину, в которой наклонно-направленное бурение может создавать множественные бифуркации и кривые, возникающие из одной утяжеленной бурильной трубы на поверхности. Используя геофизические инструменты, такие как построение сейсмических изображений, можно эффективно определять и извлекать ресурсы.

Открытая угольная шахта в Вайоминге. Твердые ресурсы добываются двумя основными способами, из которых существует множество вариантов. Открытые горные работы — это практика удаления материалов из самых отдаленных уголков Земли. Открытый карьер Горнодобывающая промышленность используется для выявления неглубоких, широко распространенных ресурсов. Обычно карьер постепенно углубляется за счет дополнительных выемок для добычи руды, а стены карьера становятся настолько крутыми, насколько это безопасно. Крутая стена означает, что требуется удалить меньше пустой породы (не имеющей ценности) или вскрыши, и обеспечивает инженерный баланс между эффективной добычей и массовыми отходами. Иногда случаются оползни, в том числе очень большой оползень, произошедший в шахте Бингем-Каньон в 2013 году.Эти события дорогостоящие и опасные, хотя тщательный мониторинг дал шахте Бингем-Каньон достаточно времени для предупреждения. Горная добыча и горная добыча — это методы открытой добычи, которые также используются для ресурсов, которые покрывают большие площади, особенно слоистых ресурсов, таких как уголь. В этом случае удаляется вся вершина горы или пласт породы, чтобы получить доступ к руде внизу. Воздействие открытых горных работ на окружающую среду обычно больше из-за большего воздействия поверхностных нарушений.

Подземная добыча горючего сланца в Эстонии. Подземная добыча часто используется для добычи ресурсов с более высоким содержанием, более локализованных или очень концентрированных. Некоторые рудные полезные ископаемые добываются под землей путем введения химических агентов, растворяющих целевой минерал, с последующей экстракцией раствора и последующим осаждением на поверхности, но чаще для доступа выкапывается шахта / туннель (или большая сеть этих шахт и туннелей). материал. Идет ли добыча под землей или с поверхности Земли, это зависит от глубины залежи руды, геометрии, политики землепользования, экономики, прочности окружающей породы и физического доступа к добываемой руде.Например, более глубокие отложения могут потребовать удаления слишком большого количества материала, это может быть слишком опасно или непрактично для удаления или может оказаться слишком дорогостоящим для удаления всей покрывающей породы. Эти факторы могут помешать добыче материалов с поверхности и вызвать разработку проекта под землей. Кроме того, места, где зона воздействия горных работ не может быть большой, могут привести к возникновению подземных горных работ. Метод добычи и возможность добычи зависит от цены товара и стоимости доступной технологии для его удаления и доставки на рынок.Таким образом, шахты и города, которые их поддерживают, приходят и уходят, когда цена товара меняется. Технологический прогресс и потребности рынка могут вновь открыть шахты и возродить города-призраки.

Завод по плавке фосфатов в Алабаме, 1942 г. Все рудные минералы смешаны с менее желательными компонентами, называемыми пустой породой . Процесс физического отделения пустой породы от рудоносных минералов называется с концентрацией .Отделение желаемого элемента от минерала-хозяина химическим путем (включая нагрев в присутствии других минералов) называется плавкой . Наконец, взятие металла, такого как медь, и удаление других следов металлов, таких как золото или серебро, осуществляется посредством процесса аффинажа . Обычно это делается одним из трех способов: 1. предметы можно механически отделить и обработать на основе уникальных физических свойств рудного минерала, например, извлечение россыпного золота на основе его высокой плотности; 2.предметы также могут быть нагреты для химического разделения желаемых компонентов, таких как переработка сырой нефти в бензин; или 3. можно плавить предметы, в которых контролируемые химические реакции отделяют металлы от минералов, в которых они содержатся, например, когда медь извлекается из халькопирита (CuFeS ² ). Процессы добычи, обогащения, плавки и рафинирования требуют огромного количества энергии. Непрерывный прогресс в металлургии и горнодобывающей практике направлен на разработку еще более энергоэффективных и экологически безопасных процессов и методов.

Я понял?

Ваша оценка:

Ваш рейтинг:

16.2. Ископаемое топливо

Угольная электростанция в Хелпере, штат Юта. Ископаемое топливо — это извлекаемые источники накопленной энергии, созданной древними экосистемами. Природные ресурсы, которые обычно подпадают под эту категорию, включают уголь, нефть (нефть) и природный газ. Первоначально эта энергия была сформирована посредством фотосинтеза живыми организмами, такими как растения, фитопланктон, водоросли и цианобактерии. Иногда это называют ископаемой солнечной энергией, поскольку в прошлом энергия солнца преобразовывалась в химическую энергию ископаемого топлива. Конечно, при использовании энергии, как и при дыхании в результате фотосинтеза, которое происходит сегодня, углерод может попадать в атмосферу, вызывая климатические последствия (см. Гл.15). Ископаемое топливо составляет большую часть энергии, используемой в мире.

Считается, что современные коралловые рифы и другая высокопродуктивная мелководная морская среда являются источниками большинства нефтяных ресурсов. Преобразование живых организмов в углеводородное ископаемое топливо — сложный процесс. Когда организмы умирают, разложение затрудняется, обычно из-за быстрого захоронения, и химическая энергия в тканях организмов добавляется к окружающим геологическим материалам. Более высокая продуктивность в древней окружающей среде ведет к более высокому потенциалу накопления ископаемого топлива, и есть некоторые свидетельства более высокой глобальной биомассы и продуктивности в течение геологического времени.Недостаток кислорода и умеренные температуры, по-видимому, способствуют сохранению этих органических веществ. Тепло и давление, которые применяются после захоронения, также могут вызвать превращение в материалы более высокого качества (бурый уголь в антрацит, нефть в газ) и / или миграцию подвижных материалов.

Мировые запасы нефти в 2013 году. Масштаб в миллиардах баррелей. P этрол , с жидким компонентом, обычно называемым нефтью , и газовым компонентом, называемым природный газ (в основном состоящий из метана), в основном получают из богатых органическими веществами мелководных морских осадочных отложений.По мере литификации породы (обычно это сланцы, аргиллиты или известняки) нефть и газ просачиваются из материнской породы из-за повышенного давления и температуры и мигрируют в другую единицу породы выше в столбе породы. Подобно обсуждению хороших водоносных горизонтов в главе 11, если порода представляет собой песчаник, известняк или другую пористую и проницаемую породу, тогда эта порода может действовать как резервуар , для нефти и газа.

Структурная или антиклинальная ловушка. Красный цвет на изображении представляет собой скопление нефти.Зеленый слой будет непроницаемой породой, а желтый — породой-коллектором. Ловушка представляет собой комбинацию подземной геологической структуры и непроницаемого слоя, который помогает блокировать движение нефти и газа и концентрировать его для последующего использования. человеческое извлечение. Развитие ловушки может быть результатом множества различных геологических ситуаций. Общие примеры включают: антиклиналь или купольную структуру, непроницаемый соляной купол или стратиграфический блок, ограниченный разломом (пористая порода рядом с непористой породой).У разных ловушек есть одна общая черта: они объединяют жидкое ископаемое топливо в такую ​​конфигурацию, при которой добыча с большей вероятностью будет прибыльной. Нефть или газ в пластах за пределами ловушки делает добычу менее рентабельной.

Повышение уровня моря в результате трансгрессий создает перекрывающиеся отложения, регрессии создают перекрытия. Раздел геологии, выросший из желания понять, как изменение уровня моря создает богатые органическими веществами мелкие морские илы, карбонаты и пески в непосредственной близости друг от друга. называется стратиграфией последовательности .Типичная прибрежная среда — пляжи рядом с лагунами и коралловыми рифами. Слои пляжного песка, лагунной грязи и коралловых рифов накапливаются в отложениях, которые образуют песчаники, хорошие породы-резервуары, рядом с аргиллитами рядом с известняками, которые являются потенциальными материнскими породами. Когда уровень моря поднимается или опускается, положение береговой линии меняется, а вместе с ней и расположение песков, грязи и рифов. Это помещает нефтегазоносные породы (например, аргиллиты и известняки) рядом с нефтегазовыми коллекторами (песчаниками и некоторыми известняками).Понимание взаимосвязи литологии и глубины океана может быть очень важным при поиске новых нефтяных ресурсов, потому что использование стратиграфии последовательностей в качестве модели может позволить делать прогнозы относительно местоположения материнских пород и резервуаров.

Битуминозные пески

Гудроновый песчаник из миоценовой формации Монтеррей в Калифорнии. Традиционные нефть и газ (откачиваемые из пласта) — не единственный способ добычи углеводородов. Следующие несколько участков известны как нетрадиционные источники нефти, однако они становятся все более важными по мере того, как традиционные источники становятся все более дефицитными. Битуминозные пески , или нефтеносные пески, представляют собой песчаники, которые содержат нефтепродукты, которые имеют высокую вязкость (например, гудрон), и, следовательно, их нельзя бурить и откачивать из земли, в отличие от обычной нефти. Рассматриваемым ископаемым топливом является битум, который можно перекачивать в виде текучей среды только с очень низкой степенью извлечения и только при нагревании или смешивании с растворителями. Таким образом, нагнетание пара и растворителей или прямая добыча битуминозных песков для последующей обработки могут использоваться для извлечения гудрона из песков. Альберта, Канада, известна крупнейшими в мире запасами битуминозных песков.Примечание: энергоресурс становится нерентабельным, если общие затраты на его добычу превышают доход, полученный от продажи добытого материала.

Горючий сланец

Мировое производство горючего сланца, 1880-2010 гг. Горючий сланец (или плотная нефть) представляет собой мелкозернистую осадочную породу, которая содержит значительное количество нефти или природного газа. Сланец является обычным источником ископаемого топлива с высокой пористостью, но с очень низкой проницаемостью. Чтобы получить нефть, материал необходимо добыть и нагреть, что, как и в случае с битуминозными песками, является дорогостоящим и обычно оказывает негативное воздействие на окружающую среду.

ГРП

Принципиальная схема гидроразрыва. Другой процесс, который используется для извлечения нефти и газа из сланцев и других нетрадиционных трудноизвлекаемых ресурсов, называется гидроразрыв пласта , более известный как гидроразрыв пласта . В этом методе закачка воды, песчинок и добавленных химикатов под высоким давлением осуществляется под землей, создавая и удерживая открытые трещины в породах, что способствует выпуску труднодоступных флюидов, в основном природного газа. Это более полезно в более плотных отложениях, особенно в сланцах, которые имеют высокую пористость для хранения углеводородов, но низкую проницаемость для передачи углеводородов.Фрекинг вызвал споры из-за возможности загрязнения подземных вод и индуцированной сейсмичности, и представляет собой баланс между общественными интересами и энергетической ценностью.

USGS различных рейтингов угля. Уголь является продуктом окаменелых болот, хотя предполагается, что некоторые более старые месторождения угля, возникшие до наземных растений, образовались в результате накопления водорослей. В основном это углерод, водород, азот, сера и кислород с небольшими количествами других элементов.Поскольку этот растительный материал включается в отложения, он претерпевает ряд изменений из-за тепла и давления, которые концентрируют фиксированный углерод, горючую часть угля. В этом смысле, чем больше тепла и давления подвергается уголь, тем выше его топливная ценность и тем более желательным является уголь. Общая последовательность перехода болота в различные стадии угля: Болото => Торф => Бурый уголь => Полубитуминозный => Битумный => Антрацит => Графит. По мере того как болотные материалы собираются на полу болота, они превращаются в торф.По мере литификации торф превращается в лигнит. С увеличением температуры и давления бурый уголь превращается в полубитуминозный уголь, битуминозный уголь, а затем, в процессе метаморфизма, в антрацит. Антрацит — это уголь с высшим уровнем метаморфизма и наиболее желанный, поскольку он обеспечивает высочайший выход энергии. Еще больше тепла и давления удаляют все летучие вещества и оставляют чистый углерод, антрацит может превратиться в графит.

Антрацитовый уголь, высший сорт угля. Уголь используется людьми не менее 6000 лет, в основном в качестве источника топлива.Угольные ресурсы в Уэльсе часто упоминаются как основная причина подъема Великобритании (а позже и Соединенных Штатов) в период промышленной революции. По данным Управления энергетической информации США, добыча угля в США снизилась из-за более низких цен на конкурирующие источники энергии и признания его негативного воздействия на окружающую среду, включая увеличение количества высокодисперсных твердых частиц, парниковых газов, кислотных дождей и сильных осадков. металлическое загрязнение. С этой точки зрения угольная отрасль вряд ли возродится.

Я понял?

Ваша оценка:

Ваш рейтинг:

16,3 Минеральные ресурсы

Золотоносная кварцевая жила из Калифорнии.Минеральные ресурсы, в основном невозобновляемые, обычно делятся на две основные категории: металлические (содержащие металлы) или неметаллические (содержащие другие полезные материалы). Большая часть добычи сосредоточена на металлических полезных ископаемых. Значительная часть прогресса человеческого общества была связана с развитием знаний и технологий, которые позволили получить металл из Земли и позволили машинам, зданиям и денежным системам, которые сегодня доминируют в нашем мире. Обнаружение и извлечение этих металлов было ключевым аспектом изучения геологии с момента ее создания.Каждый элемент периодической таблицы имеет особое применение в человеческой цивилизации. Добыча металлических полезных ископаемых является источником многих из этих элементов.

Количество способов, которыми минералы и связанные с ними элементы концентрируются с образованием рудных залежей, слишком сложны и многочисленны, чтобы полностью рассмотреть их в этом тексте. Однако вокруг них строится вся карьера. Описываются некоторые из наиболее распространенных типов этих отложений, а также связанные с ними концентрации элементов и проявления мирового класса.

Магматические процессы

Слоистая интрузия темных хромсодержащих минералов, комплекс Бушвельд, Южная Африка Кристаллизация и дифференциация (см. Главу 4) магматического тела может вызвать концентрацию определенных минералов и элементов. Слоистые интрузий (обычно от ультраосновных до основных) могут быть залежи, содержащие медь, никель, платину, палладий, родий и хром. Комплекс Стиллуотер в Монтане является примером экономического многоуровневого вторжения мафиков.Связанные типы отложений могут содержать хром или титан-ванадий. Крупнейшие магматические месторождения в мире — это месторождения хромита в магматическом комплексе Бушвельд в Южной Африке. Скалы магматического комплекса Бушвельд имеют площадь больше, чем штат Юта. Хромит встречается слоями, которые напоминают осадочные слои, за исключением того, что это произошло внутри кристаллизующейся магматической камеры.

Этот пегматит из Бразилии содержит богатый литием зеленый эльбаит (турмалин) и пурпурный лепидолит (слюду).Вода и другие летучие вещества, которые не входят в состав минеральных кристаллов во время кристаллизации магмы, концентрируются вокруг границ этих кристаллизующихся магм. Ионы в этих горячих жидкостях очень подвижны и могут образовывать исключительно большие кристаллы. После кристаллизации массы этих больших кристаллов называются пегматитами , которые образуются из-за концентрации магматических флюидов ближе к концу кристаллизации, когда кристаллизовалось почти все тело магмы. Помимо минералов, которые преобладают в основной магматической массе, таких как кварц, полевой шпат и слюда, тела пегматита могут также содержать очень большие кристаллы необычных минералов, которые содержат редкие элементы, такие как бериллий, литий, тантал, ниобий и олово, а также а также местные элементы, такие как золото.Такие пегматиты являются рудами этих металлов.

Принципиальная схема кимберлитовой трубки. Необычным магматическим процессом является кимберлитовая трубка , которая представляет собой вулканический канал, переносящий ультраосновную магму из глубин мантии на поверхность. Алмазы, которые образуются при большой температуре и на большой глубине, транспортируются таким образом в места, где их можно добывать. Процесс образования этих кимберлитовых (ультраосновных) пород больше не распространен на Земле, и большинство известных месторождений относятся к архейскому типу.

Гидротермальные процессы

Сложный химический состав вокруг срединно-океанических хребтов. Флюиды, поднимающиеся из кристаллизующихся магматических тел или нагретые геотермальным градиентом, вызывают широкий спектр геохимических реакций, которые могут образовывать разнообразные месторождения полезных ископаемых. Самый активный гидротермальный процесс на сегодняшний день дает месторождений вулканогенных массивных сульфидов (VMS), которые образуются в результате деятельности черного курильщика вблизи срединно-океанических хребтов по всему миру и обычно содержат медь, цинк, свинец, золото и серебро, когда их находят на поверхности. поверхность.Самые крупные из этих месторождений встречаются в породах докембрийского возраста. Месторождение Джером в центральной Аризоне является хорошим примером.

USGS месторождения порфировой меди. Другой тип месторождения, который использует нагретую воду из магмы, — это месторождение порфиров . Это не следует путать с порфировыми порфировыми породами магматической текстуры, хотя название происходит от порфировых структур, которые почти всегда присутствуют в магматических породах порфировых отложений. Существует несколько типов месторождений порфиров: медно-порфировые, молибденовые и порфировые.Они характеризуются наличием низкосортных вкрапленных рудных минералов, тесно связанных с интрузивными породами среднего и кислого состава на очень большой территории. Месторождения порфира обычно являются крупнейшими рудниками на Земле. Одним из крупнейших, богатейших и, возможно, наиболее изученных рудников в мире является открытый рудник Бингем-Каньон в штате Юта, где более 100 лет добывается большое количество нескольких элементов, включая медь, золото, молибден и серебро. Связанные подземные месторождения карбонатного замещения дали свинец, цинк, золото, серебро и медь.В прошлом в карьере на этом руднике преобладали медь и золото из халькопирита и борнита. Золото в незначительных количествах присутствует в медьсодержащем минерале, но большие масштабы добычи делают каньон Бингем одним из крупнейших золотых рудников США. В будущем может производиться больше меди и молибдена (молибденита) из более глубоких подземных рудников.

Порфир Morenci окисляется к вершине (что видно как красные камни в стене шахты), создавая обогащение супергенами.Большинство медно-порфировых месторождений обязаны своей экономической ценностью концентрации в результате процессов выветривания, происходящих через миллионы лет после вторжения, названного супергенным обогащением . Это происходит после того, как гидротермальное явление прекратилось и рудное тело было поднято, размыто и подверглось окислению. Когда верхняя богатая пиритом часть месторождения подвергается воздействию дождя, пирит в окислительной зоне создает чрезвычайно кислые условия, которые растворяют медь из медных минералов, таких как халькопирит, превращая халькопирит в оксиды железа, такие как гематит или гетит.Медь уносится вниз в растворе, пока не достигнет уровня грунтовых вод и восстановительной среды, где медь осаждается, превращая первичные минералы меди во вторичные минералы с более высоким содержанием меди. Халькопирит (35% Cu) превращается в борнит (63% Cu) и, в конечном итоге, в халькоцит (80% Cu). Без этой обогащенной зоны (содержание меди в которой в 2-5 раз выше, чем в основном месторождении) большинство месторождений медно-порфировых пород было бы экономически невыгодным.

Гранат-авгитовый скарн из Италии.Если известняк или другие известковые осадочные породы присутствуют рядом с магматическим телом, то может образоваться другой тип рудного месторождения, называемый месторождение скарн . Эти метаморфические породы образуются в результате реакции магматических высокосоленых металлоносных флюидов с карбонатными породами с образованием кальций-магниево-силикатных минералов, таких как пироксен, амфибол и гранат, а также зон с высоким содержанием железа, меди, цинка и золота. Вторжения, которые генетически связаны с вторжением, сделавшим месторождение Бингем-Каньон, также привели к образованию медно-золотых скарнов, которые были добыты первыми европейскими поселенцами в Юте.Метаморфизм железных и / или сульфидных отложений обычно приводит к увеличению размера зерен, что значительно упрощает отделение пустой породы от желаемых сульфидных или оксидных минералов.

В этой породе куб пирита растворился (как видно по отрицательному «угловому» отпечатку в породе), оставив после себя небольшие частички золота. Вкрапленное золото в отложениях. Залежи золота состоят из небольших концентраций микроскопического золота в виде включений и вкрапленных атомов в кристаллах пирита. Они образуются в результате низкоуровневых гидротермальных реакций (обычно в области диагенеза), которые происходят в определенных типах пород, а именно в илистых карбонатах и ​​известковых аргиллитах.Эти гидротермальные изменения обычно находятся далеко от источника магмы, но могут быть обнаружены в протяженных породах с высоким геотермическим градиентом. Самым ранним месторождением этого типа, разрабатываемым на местном уровне, было месторождение Меркур в горах Окирр в штате Юта, где в период с 1890 по 1917 год было извлечено почти один миллион унций золота. В 1960-х годах для этих типов руд с низким содержанием золота были разработаны металлургические процессы с использованием цианида. Эти месторождения также называются месторождениями типа Карлин , потому что вкрапленное месторождение около Карлина, штат Невада, было местом, где впервые была применена новая технология, и потому, что там были проведены первые окончательные научные исследования.Золото было введено гидротермальными флюидами, которые вступили в реакцию с илистыми известковыми породами, удалив карбонат, создав дополнительную проницаемость и добавив кремнезем и золотосодержащий пирит в поровое пространство между зернами. Рудник Бетце-Пост и рудник Gold Quarry на «Карлин Тренд» — два из крупнейших из вкрапленных месторождений золота в Неваде. Подобные месторождения, но не такие большие, были найдены в Китае, Иране и Македонии.

Немагматические геохимические процессы

Подземный урановый рудник недалеко от Моава, штат Юта.Геохимические процессы, которые происходят на поверхности или вблизи поверхности без помощи магмы, также концентрируют металлы, но в меньшей степени, чем гидротермальные процессы. Одной из основных реакций является химия редокс (сокращение от восстановления / окисления), которая связана с количеством доступного кислорода в системе. Места с изобилием кислорода, как в сегодняшней атмосфере, считаются окислительной средой, в то время как среда с низким содержанием кислорода считается восстановительной. Осаждение урана является примером окислительно-восстановительной мобилизации.Уран растворим в окислительной среде грунтовых вод и выпадает в осадок в виде уранинита, когда встречаются восстановительные условия. Многие месторождения на плато Колорадо (например, Моав, штат Юта) были сформированы этим методом.

Окислительно-восстановительные реакции также привели к образованию полосчатых железных пластов (BIF), , которые представляют собой прослои оксида железа (гематита и магнетита), кремня и сланцевых пластов. Эти отложения образовались в начале истории Земли, когда атмосфера насыщалась кислородом.Циклическое насыщение кислородом богатых железом вод инициировало осаждение железных пластов. Поскольку BIF обычно имеют докембрийский возраст, они встречаются только в некоторых более старых обнаженных породах в Соединенных Штатах, на верхнем полуострове Мичигана и на северо-востоке Миннесоты.

Карта рудных месторождений типа Миссисипи-Валли. Глубокие, соленые, связанные флюиды (захваченные в поровых пространствах) в осадочных бассейнах могут быть высокометаллическими. При выталкивании наружу и вверх во время уплотнения бассейна эти жидкости могут образовывать отложения свинца и цинка в известняке при замене или заполнении открытых пространств (пещеры, разломы) и в песчанике путем заполнения поровых пространств.Самыми известными из них являются месторождения типа долины Миссисипи. Также известные как замещающие карбонаты месторождения, они представляют собой крупные месторождения галенита и сфалерита (свинцовые и цинковые руды), которые образуются из флюидов в диапазоне температур от 100 до 200 ° C. Несмотря на то, что они названы в честь появления в долине реки Миссисипи в Соединенных Штатах, они встречаются по всему миру.

Осадочные месторождения меди , залегающие в песчаниках, сланцах и мергелях, огромны по размеру, а содержащиеся в них ресурсы сопоставимы с месторождениями меди-порфира.Скорее всего, они образовались диагенетически флюидами подземных вод в высокопроницаемых породах. Хорошо известными примерами являются Купфершифер в Европе, площадь покрытия которого превышает 500 000 км ₂ , и Замбийский медный пояс в Африке.

Образец боксита. Обратите внимание на невыветрившуюся магматическую породу в центре. Глубокое и интенсивное выветривание почв и минеральных отложений, обнаженных на поверхности, может привести к образованию поверхностных отложений. Боксит , руда алюминия, сохраняется в карстовой топографии и латеритах (почвах, образованных во влажных тропических средах).Алюминий концентрируется в почвах в виде полевого шпата и ферромагнезиальных минералов в магматических и метаморфических породах, которые подвергаются химическим процессам выветривания. Выветривание ультраосновных пород приводит к образованию богатых никелем почв, а выветривание магнетита и гематита в полосчатом железообразовании приводит к образованию гетита, рыхлого минерала, который легко добывается из-за содержания в нем железа.

Поверхностные физические процессы

Литифицированный тяжелый минеральный песок (темные слои) из прибрежного месторождения в Индии.На поверхности земли в результате физического процесса истощения массы или движения жидкости концентрируются минералы с высокой плотностью за счет гидравлической сортировки. Когда эти минералы сконцентрированы в ручьях, реках и пляжах, их называют месторождениями россыпей и отложений, будь то современные пески или древние литифицированные породы. Самородное золото, самородная платина, циркон, ильменит, рутил, магнетит, алмазы и другие драгоценные камни можно найти в россыпях. Люди подражали этому естественному процессу, чтобы извлекать золото вручную путем промывки золота и механизированными средствами, такими как дноуглубительные работы.

Кислотный дренаж шахты в Рио-Тинто, Испания. Основное воздействие добычи металлических полезных ископаемых происходит от самой добычи, включая нарушение поверхности земли, покрытие ландшафтов хвостохранилищами и увеличение массового истощения из-за ускоренной эрозии. Кроме того, многие месторождения металлов содержат пирит, нерентабельный сульфидный минерал, размещаемый на отвалах, который может образовывать кислотный дренаж кислых пород (ARD) во время выветривания.В присутствии насыщенной кислородом воды сульфиды, такие как пирит, вступают в сложные реакции с высвобождением ионов металлов и ионов водорода, снижая pH до очень кислых уровней. Добыча и переработка добытых материалов обычно увеличивают отношение площади поверхности к объему в материале, в результате чего реакции происходят даже быстрее, чем это происходит в естественных условиях. Если не управлять должным образом, эти реакции могут привести к подкислению потоков и шлейфов грунтовых вод, которые могут нести растворенные токсичные металлы. В шахтах, где известняк представляет собой пустую породу или присутствуют карбонатные минералы, такие как кальцит или доломит, их кислотный нейтрализующий потенциал помогает снизить вероятность образования ARD.Хотя это тоже естественный процесс, очень важно изолировать отвалы и хвосты рудников от насыщенной кислородом воды, чтобы предотвратить растворение сульфидов и последующее просачивание воды, богатой сульфатами, в водные пути. В последние десятилетия промышленность добилась больших успехов в предотвращении загрязнения, но более ранние горнодобывающие проекты по-прежнему вызывают проблемы с местными экосистемами.

Карьер каррарского мрамора в Италии, где можно увидеть знаменитые скульптуры, такие как Давид Микеланджело.Неметаллические минеральные ресурсы (также известные как промышленные минералы), которым уделяется гораздо меньше внимания, столь же важны для древнего и современного общества, как и металлические минералы. Самый простой из них — строительный камень. Известняк, травертин, гранит, сланец и мрамор являются обычными строительными камнями, и их добывали веками. Даже сегодня строительные камни от сланцевой черепицы до гранитных столешниц очень популярны. Особо чистый известняк измельчают, обрабатывают и преобразовывают в штукатурку, цемент и бетон.Некоторые неметаллические минеральные ресурсы не относятся к конкретным минералам; можно использовать почти любую породу или минерал. Это обычно называется заполнителем и используется в бетоне, дорогах и фундаментах. Гравий — один из наиболее распространенных заполнителей.

Эвапориты

Засоленная равнина, известная как соляные равнины Бонневиль, штат Юта. Отложения Evaporite образуются в ограниченных бассейнах, таких как Большое Соленое озеро или Мертвое море, где испарение воды превышает подпитку воды в бассейн.По мере испарения воды растворимые минералы концентрируются и становятся перенасыщенными, после чего они выпадают в осадок из теперь уже сильно засоленных вод. Если эти условия сохраняются в течение длительного времени, могут накапливаться толстые отложения каменной соли, каменного гипса и других минералов (см. Главу 5).

Hanksite, Na ₂₂ K (SO ₄ ) ₉ (CO ₃ ) ₂ Cl, один из немногих минералов, который считается карбонатом и сульфатом Минералы эвапорита, такие как галит, используются в наших продуктах питания в качестве поваренная соль поваренная.Соль была жизненно важным экономическим ресурсом до того, как охлаждение использовалось в качестве консерванта для пищевых продуктов. Хотя он все еще используется в продуктах питания, сейчас он в основном используется в качестве химического агента, смягчителя воды или антиобледенителя для дорог. Гипс — это распространенный неметаллический минерал, используемый в качестве строительного материала, являющийся основным компонентом гипсокартона. Он также используется в качестве удобрения. Другие эвапориты включают сильвит (хлорид калия) и бишофит (хлорид магния), оба из которых используются в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности и других областях.Калий, группа хорошо растворимых калийсодержащих минералов эвапорита, используется в качестве удобрения. В гиперзасушливых районах обнаружены и добываются еще более редкие и сложные эвапориты, такие как бура, трона, улексит и ханксит. Их можно найти в таких местах, как Сухое озеро Сирлс и Долина Смерти, Калифорния, а также в древних эвапоритовых месторождениях формации Грин-Ривер в Юте и Вайоминге.

фосфор

Апатит из Мексики. Фосфор — важный элемент, содержащийся в минерале апатите, который в следовых количествах содержится в обычных магматических породах.Фосфоритная порода, которая образуется в осадочных средах океана, содержит большое количество апатита и добывается для производства удобрений. Без фосфора жизнь, как мы ее знаем, невозможна. Фосфор — главный компонент костей и ключевой компонент ДНК. Костный зола и гуано — естественные источники фосфора.

Я понял?

Ваша оценка:

Ваш рейтинг:

Энергетические и минеральные ресурсы жизненно важны для современного общества, и роль геолога заключается в том, чтобы найти эти ресурсы на благо человека.Поскольку экологические проблемы стали более заметными, ценность геологов не уменьшилась, поскольку они по-прежнему жизненно важны для обнаружения и определения наименее интрузивных методов добычи.

Энергетические ресурсы делятся на возобновляемые и невозобновляемые. Геологи могут помочь найти лучшие места для эксплуатации возобновляемых источников энергии (например, найти плотину), но обычно им поручено найти невозобновляемые ископаемые виды топлива. Минеральные ресурсы также делятся на две категории: металлические и неметаллические.Минералы имеют широкий спектр процессов, которые позволяют их концентрировать до экономичного уровня, и обычно их добывают наземными или подземными методами.

Ваша оценка:

Ваш рейтинг:

Список литературы

3 Наличие и надежность поставок | Минералы, критические минералы и U.С. Эконом

Хейг, Р., 2007. Презентация для Комитета по критическому воздействию полезных ископаемых на экономику США. Вашингтон, округ Колумбия, 7 марта.

Джексон, У.Д. и Г. Кристиансен, 1993. Краткий отчет о международной стратегической инвентаризации минералов — редкоземельные оксиды. Циркуляр Геологической службы США 930-N, 68 стр.

Матос, Г. Р., 2007. Влияние регулирования и технологии на конечное использование нетопливных минеральных ресурсов в Соединенных Штатах. Отчет о научных исследованиях Геологической службы США за 2006-5194.Доступно в Интернете по адресу http://pubs.usgs.gov/sir/2006/5194/pdf/sir20065194.pdf (по состоянию на 29 октября 2007 г.).

McMahon, F., and A. Melhem, 2007. Ежегодный обзор горнодобывающих компаний Института Фрейзера, 2006/2007 гг. . Ванкувер: Институт Фрейзера, 91 стр.

MMSD (Проект «Горнодобывающая промышленность, полезные ископаемые и устойчивое развитие»), 2002 г. Новые возможности. Лондон: публикации EarthScan совместно с Международным институтом окружающей среды и развития, 441 стр.

Мюллер, Д. Б., Т. Ван, Б. Дюваль, Т. Э. Graedel, 2006. Изучение двигателя антропогенных циклов железа. Proceedings of the National Academy of Sciences 103 (44): 16111-16116.

NRC (Национальный исследовательский совет), 1996. Минеральные ресурсы и проблемы устойчивого развития Земли Ученые. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press.

NRC, 1999. Добыча твердых пород на федеральных землях. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press, 247 стр.

NRC, 2006. Управление остатками от сжигания угля в шахтах. Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press, 256 стр.

Пол А. и М. Найт, 1995. Замещающие руды в шахте Магма, Супериор, Аризона. Стр. 366-372 в Ф. Пирс и Дж. Болм (ред.), Медно-порфировые месторождения Североамериканских Кордильер. Тусон: Геологическое общество Аризоны, 656 стр.

Петерсон, Д., Т. ЛаТуретт и Дж. Бартис, 2002. Новые силы в работе в горнодобывающей промышленности — отраслевые обзоры критических технологий. Санта-Моника, Калифорния: Институт науки и политических технологий РАНД.

Шэнкс, В., 1983. Том Кэмерона по нетрадиционным месторождениям полезных ископаемых. Нью-Йорк: Общество экономических геологов, Общество горных инженеров, Американский институт горных, металлургических и нефтяных инженеров, 246 стр.

Певец Д.А., В.И. Бергер и Б. Моринг, 2005. Месторождения порфировой меди в мире: база данных, карта, модели классов и тоннажа. Отчет открытого файла Геологической службы США за 2005-1060 гг.Доступно в Интернете по адресу http://pubs.usgs.gov/of/2005/1060/of2005-1060.pdf (по состоянию на 31 октября 2007 г.).

Институт рециркуляции стали, 2005. Содержание вторичного сырья, присущее современной стали, информационный бюллетень. Доступно в Интернете по адресу http://www.recycle-steel.org/PDFs/Inherent2005.pdf (по состоянию на 8 августа 2007 г.).

Салливан Д., Дж. Снопек и Л. Вагнер, 2000. Снижение цен на минеральные ресурсы в США в двадцатом веке в постоянных долларах. Отчет об открытом файле USGS 00-389. Доступно в Интернете по адресу http: // pubs.usgs.gov/of/2000/of00-389/of00-389.pdf (по состоянию на 31 октября 2007 г.).

Сутфин, Д.М., и Н.Дж. Пейдж, 1986. Сводный отчет по международной стратегической инвентаризации полезных ископаемых — металлы платиновой группы. Циркуляр Геологической службы США 930-E, 34 стр.

Таггарт, А.Ф., 1927. Справочник по обогащению руды. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 1679 стр.

Томпсон, Т.Б., и Л. Тил, 2002. Предисловие к золотым месторождениям Carlin Trend . Рино: Бюро горнорудной промышленности и геологии Невады, стр.8.

Глава 6: Раздел 6 — Минеральные ресурсы Земли

Обзор

В этом разделе вы найдете материалы, которые поддерживают реализацию EarthComm, Раздел 6: Минеральные ресурсы Земли .

Результаты обучения

• Анализируйте и интерпретируйте данные на карте, чтобы объяснить распределение нескольких сырьевых полезных ископаемых в Соединенных Штатах.
• Используйте модель , чтобы продемонстрировать методы разведки и обнаружения рудных месторождений.

Дополнительные запросы

2. Чтобы узнать больше о процессе Холла, посетите следующие веб-сайты:

   Энергия, необходимая для производства алюминия, Управление энергетической информации США
   Описывает технологии и процессы, используемые для производства алюминия из алюминиевой руды.

   Поль Эру и Чарльз М. Холл, Фонд химического наследия
   Рассматривается роль, которую Поль Эру и Чарльз М. Холл сыграли в коммерческом доступе алюминия.

   Алюминий, Основная химическая промышленность
   Производство алюминия, включая роль Чарльза Мартина Холла в производстве алюминия.
   

3. Чтобы узнать больше о спросе и предложении полезных ископаемых, посетите следующие веб-сайты:

   Мониторинг циклических изменений в металлургической деятельности в США, USGS
   Объясняет, как колебания в экономике могут повлиять на активность металлов в США.

   Сводки по минеральным товарам , USGS
   Щелкните год и интересующий минеральный товар, чтобы узнать о мировом спросе и предложении на этот ресурс.

   Metal Industry Indicators, USGS
   Ежемесячный онлайновый информационный бюллетень, который анализирует и прогнозирует экономическое состояние пяти металлургических отраслей: первичные металлы, сталь, медь, первичный алюминий и изделия из алюминия.
   

4. Чтобы узнать больше о месторождениях полезных ископаемых и обзорных картах, посетите следующие веб-сайты:

   Обеспечение всесторонних наук о Земле для сложных социальных проблем, USGS
   Объясняет подходы и информацию, которые ученые используют при объяснении природных явлений.Включает раздел, посвященный изучению месторождений полезных ископаемых и изучению минеральных и энергетических ресурсов.

   Геологическая наука Аляски, Геологическая служба США, Научный центр Аляски
   Описывает работу ученых, занимающихся минеральными ресурсами, и то, как они предоставляют информацию об оценках полезных ископаемых.

Ресурсы

Чтобы узнать больше по этой теме, посетите следующие веб-сайты:

Минеральные ресурсы Земли

Volcanic Minerals, Volcano World
Содержит информацию и изображения, относящиеся к месторождениям вулканических минералов, включая бокситы (алюминий), алмазы, золото, никель и многое другое.

Введение в вулканическую среду, AZO Mining
Обсуждается образование месторождений металлических минералов во время вулканической активности.

Потенциал новых месторождений сульфида никеля и меди в регионе Верхнего озера, USGS
Обсуждается, как образуются месторождения Ni-Cu, почему они важны и как ученые оценивают потенциальную полезность залежей в районе озера Верхнее.

Оценка неоткрытых запасов золота, серебра, меди, свинца и цинка, остающихся в США в 1996 г., USGS
Предоставляет оценки оставшихся месторождений, содержащих золото, серебро, медь, свинец или цинк.

Minerals America’s Strength, Национальная горнодобывающая ассоциация
Интересные факты о полезных ископаемых и добыче полезных ископаемых в Соединенных Штатах.

Minerals — Статистика и информация о товарах, USGS
Щелкните интересующий минеральный товар, чтобы узнать больше о его использовании и извлечении.

Картографирование

Introduction to Geologic Mapping, USGS
Исследует методы создания геологических карт и данные, которые они представляют.

Geologic Maps, USGS
Обзор того, что такое геологические карты и почему они важны для геологов. Также дает краткое введение в Национальную совместную программу геологического картирования.

Remote Sensing in the USGS Mineral Resource Surveys Program в восточной части США, USGS
Использует тематическое исследование, чтобы проиллюстрировать, как современные методы дистанционного зондирования (аэрофотоснимки) помогают геологам определять местонахождение потенциальных месторождений полезных ископаемых.

Геохимия

Золотые месторождения сланцевого пояса Каролины в Вирджинии, Северной Каролине, Южной Каролине и Джорджии, USGS
Представлены шаги, которым следуют геологи для оценки месторождений полезных ископаемых.

«Исследования стабильных изотопов и минеральных ресурсов в США», USGS
Объясняет, как анализ элементов кислорода, водорода, серы и углерода может быть использован для определения месторождений меди, свинца, цинка, золота и серебра. Представлены тематические исследования на востоке США

Geophysics

Western Mineral and Environmental Resources, USGS
Предоставляет исследования коренных и поверхностных пород, геофизические исследования и исследования минеральных ресурсов, которые продолжаются в Западном США.S. Включает образцы цветов карт.

Картографирование геологических единиц

Предпосылки

Составление карт геологических единиц состоит в первую очередь из идентификации физико-географических единиц и определения литологии горных пород или грубой стратиграфии обнаженных единиц. Эти единицы или образования обычно характеризуются своим возрастом, литологией и мощностью. Дистанционное зондирование может использоваться для описания литологии по цвету, характеристикам выветривания и эрозии (независимо от того, является ли порода устойчивой или рецессивной), схемам дренажа и толщине напластования.

Единичное картирование полезно при разведке месторождений нефти и полезных ископаемых, поскольку эти ресурсы часто связаны с определенными литологиями. Структуры под землей, которые могут способствовать улавливанию нефти или содержанию определенных минералов, часто проявляются на поверхности Земли. Очерчивая структуры и идентифицируя связанные литологии, геологи могут определить места, которые наиболее вероятно могут содержать эти ресурсы, и нацелить их на разведку. Картирование коренных пород имеет решающее значение для инженерных, строительных и горнодобывающих операций и может сыграть роль в землепользовании и городском планировании.Понимание распределения и пространственных отношений единиц также облегчает интерпретацию геологической истории поверхности Земли.

С точки зрения дистанционного зондирования, эти «литостратиграфические» единицы могут быть разграничены по их спектральным характеристикам отражения, структуре плоскостей напластования и морфологии поверхности.

Почему дистанционное зондирование?

Дистанционное зондирование дает обзор, необходимый для 1) построения карт региональных единиц, полезных для мелкомасштабного анализа и планирования полевых переходов для выборки и проверки различных единиц для детального картирования; и 2) понимать пространственное распределение и поверхностные отношения между единицами.Дистанционное зондирование с помощью VIR предоставляет многоспектральную информацию, относящуюся к составу устройства, в то время как радар может предоставлять текстурную информацию. Также можно интегрировать несколько источников данных, чтобы обеспечить полное представление литостратиграфии.

Стерео изображения могут также облегчить определение границ и идентификацию единиц, обеспечивая трехмерное изображение местного рельефа. Некоторые породы устойчивы к эрозии, тогда как другие легко разрушаются. Элементы идентификации, такие как проявления погодных условий, могут быть видны на изображениях с высоким или средним разрешением и аэрофотоснимках.

Изображения или аэрофотоснимки можно использовать в полевых условиях в качестве базовых карт для полевого анализа.

Требования к данным

Для картографирования двух разных масштабов требуются несколько разные источники и параметры изображения.

1. Для анализа на конкретном участке аэрофотоснимки представляют собой продукт с высоким разрешением, который может предоставить информацию о различных погодных условиях, тоне и микродренаже. Фотографии можно легко просматривать в стерео для оценки характеристик рельефа.
2. Для региональных обзоров требуется большая зона покрытия и умеренное разрешение.Отличным источником данных для региональных приложений является синергетическая комбинация радиолокационных и оптических изображений для выделения информации о местности и текстурной информации.

В любом случае частота построения изображений не является проблемой, поскольку во многих случаях интересующие геологические особенности остаются относительно статичными. Немедленное восстановление также не критично.

Канада и международная

Требования к этому приложению во всем мире существенно не различаются. Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются как страны с умеренным, так и тропическим климатом, заключается в том, что густые леса покрывают большую часть ландшафта.В этих областях геологи могут использовать дистанционное зондирование для определения глубинной литологии по состоянию растительности, растущей над ней. Это понятие называется «геоботаника». Основополагающий принцип заключается в том, что минеральные и осадочные составляющие коренной породы могут контролировать или влиять на состояние растительности, растущей выше.

В действительности топография, структура, поверхностные материалы и растительность объединяются, чтобы облегчить интерпретацию и картирование геологических единиц. Оптимальное использование данных дистанционного зондирования , таким образом, — это тот, который объединяет различные источники данных изображения, такие как оптические и радиолокационные, в масштабе, соответствующем исследованию.

Пример изображения

Даже после создания карт геологических единиц их все равно можно будет представить более информативно за счет включения текстурной информации, предоставляемой данными SAR. Базовую карту геологической единицы можно сделать более информативной, добавив текстурную и структурную информацию. В этом примере региона Садбери, Онтарио, интеграционное преобразование использовалось для объединения картографических данных (информация о коренных породах и структурной геологии, 1992 г.) с данными изображения SAR. Полученное в результате изображение можно использовать в локальном или региональном масштабе для обнаружения структурных тенденций внутри и между единицами.Области, общие для каждого изображения, обведены черным.