Строение земной коры
Все доступные для современного уровня технического развития минеральные ресурсы и основное количество энергетических ресурсов сосредоточены в теле нашей планеты.
В целом Земля имеет центрально симметричное строение и представляет собой геоид, радиус которого по экватору 6378 км, а по меридиану 6356 км (Rср = 6371,11 км). На современном уровне наших знаний принято считать, что Земля имеет внутреннее ядро, внешнее ядро, мантию и земную кору (литосферу).
Земля окаймлена двумя оболочками: атмосферой и гидросферой. Мировой океан занимает 361,1 млн км2, или 70,8 % поверхности земли, суша — 149,1 млн км2, или 29,2 %.
Объем земли без атмосферы составляет 1083,4 × × 1018 м3, а масса земли — 5976 × 1021 кг.
Объектом промышленного освоения сегодня являются приповерхностные слои литосферы. Все остальное пока технически недоступно, а потому представляет собой минерально-сырьевую базу будущих поколений.
Содержание основных химические элементов в земной коре приведено в табл. 2.1.
Кристаллические химические соединения элементов, слагающие земную кору, называются минералами. Ассоциации минералов образуют горные породы. Изучением минералов занимается минералогия, а горных пород — петрография, в задачу которой входит исследование породообразующих минералов.
Выделяют три основные группы пород: изверженные (магматические), осадочные и метаморфические.
Изверженные породы образуются при кристаллизации расплавов (магмы), поднимающихся с больших глубин. Магма изливается на поверхность при извержении вулканов. Значительная часть расплавов кристаллизуется внутри земной коры.
Осадочные горные породы образуются в морях как продукт разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород.
Метаморфические горные породы формируются в результате преобразований изверженных и осадочных пород, когда на них оказывают воздействие высокие температура и давление.
Земная кора на 95 % состоит из изверженных пород, представленных преимущественно гранитами. На континентах на глубине 15–30 км граниты залегают сплошным слоем. В 100 т гранитных пород содержится в среднем 8 т алюминия, 5 т железа, 540 кг титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, 18 кг никеля, 9 кг меди, 4,5 кг вольфрама, 1,8 кг свинца. Осадочные отложения залегают на поверхности нашей планеты. В них содержатся нефть, газ, уголь, соли.
До настоящего времени общество вовлекает в эксплуатацию те элементы земной коры, которые в природных условиях сконцентрированы в виде минеральных и других ресурсов. Все эти ресурсы можно систематизировать по классам, группам и видам.
Согласно представлениям академика М.И. Агошкова, ресурсы земных недр разделяются на шесть основных групп.
I группа. Месторождения полезных ископаемых. В эту группу входят два основных вида.
Вид I.1. Месторождения твердых, жидких или газообразных полезных ископаемых однородного состава, представленные одной залежью или группой близко расположенных залежей с одинаковым или аналогичным химико-минералогическим однокомпонентным (мономинеральным) или многокомпонентным составом полезных ископаемых, для первичной переработки которых возможно применение единой технологии.
По условиям залегания, предопределяющим существенное различие в способах разработки, можно выделить месторождения, которые залегают:
- в недрах земной суши вблизи ее поверхности или на глубине;
- в прибрежной части земной суши;
- на дне и под дном водоемов, рек, морей.
К первому виду относится основная часть месторождений руд черных, цветных, благородных, редких, радиоактивных металлов, угля, горючих сланцев, горно-химического сырья, строительных и технических материалов, нефти, битумных сланцев, природного газа.
Вид I.2. Комплексные месторождения твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, представленные группой близко расположенных залежей с существенно различным химико-минералогическим составом. Разработку таких месторождений возможно, а иногда и технически необходимо вести совместно, из единой сети горных выработок, в одном шахтном или карьерном поле переработку же добытых полезных ископаемых различного состава целесообразно выполнять раздельно или по разным схемам.
Условия залегания, которые предопределяют способ разработки этого вида месторождений, аналогичны перечисленным выше в пунктах первого вида.
Число и роль комплексных месторождений в горной промышленности со временем все более возрастает; также увеличивается многообразие их по сочетанию различных видов полезных ископаемых.
Среди твердых полезных ископаемых известны комплексные месторождения, представленные близко расположенными залежами руд цветных металлов — свинцово-цинковых, бокситов и черных металлов — железа и марганца; месторождений рудных ископаемых с находящимися в непосредственной близости от них залежами нерудных ископаемых, в частности строительных материалов в виде пластов кварцитов, даек крепких изверженных пород, массивов пород гранитно-гнейсового типа, которые представляют собой во многих районах страны остродефицитный ценный материал для получения строительного щебня. Значительно число рудных месторождений, вмещающие породы которых содержат пласты мела, известняка, песка, глины. Классическим примером такого типа комплексных месторождений являются, например, Лебединское и Стойленское месторождения Курской магнитной аномалии.
К числу комплексных месторождений жидких и газообразных полезных ископаемых относятся многие газоконденсатные и нефтегазоконденсатные месторождения.
II группа. Горные породы вскрыши, размещаемые при открытой разработке месторождений в породных отвалах, часть которых может быть использована для получения строительных материалов. К этой же группе можно отнести раздельно складируемые в отвалах добытые забалансовые по качеству полезные ископаемые. В отвалах вскрыши и забалансовых полезных ископаемых заключено огромное количество продуктов недр, использование которых представляет задачу самой близкой перспективы.
III группа. Отходы горно-обогатительного и металлургического производства в виде отвалов горных пород от проходки подземных выработок (подобные отвалам пород вскрыши), отвалы хвостов обогатительных фабрик и промывочных установок золотосодержащих, оловоносных и других песков, отвалы металлургических шлаков. В практике значительные массы таких отходов, отвалов, приобретающие со временем промышленную ценность и вовлекаемые в разработку, иногда именуют «техногенными месторождениями». Особое место в этой группе ресурсов занимают отработанные воды обогатительного и металлургического производств, содержащие полезные компоненты. Промышленное использование — переработка их в некоторых случаях может быть экономически целесообразной.
IV группа. Глубинные источники пресных, минеральных и термальных вод. В связи с усилением дефицита поверхностных источников пресных вод стали эффективно эксплуатироваться подземные источники воды, часто имеющие огромные статические запасы и притоки. Что касается выгодности и перспектив использования глубинных минеральных и термальных вод, то пояснений к этому не требуется.
V группа. Внутреннее — глубинное тепло недр земли представляет в перспективе один из неиссякаемых и, возможно, наиболее дешевых источников тепловой энергии; использование его находится пока в самой начальной стадии, требует развития многоплановых научных исследований и постановки производственных экспериментов.
VI группа. Природные и созданные человеком (техногенные) полости в земных недрах, пригодные для размещения промышленно-хозяйственных и лечебных объектов, захоронения отходов производства и других целей. Использование этой группы ресурсов недр также находится в начальной стадии, имеет большие перспективы и требует широкого развития научных исследований.
Полезные ископаемые и их месторождения
Полезные ископаемые — это природные минеральные вещества, которые при данном уровне техники могут быть использованы в народном хозяйстве в естественном виде или после предварительной обработки.
Полезные ископаемые могут находиться в недрах Земли в твердом, жидком или газообразном состояниях.
Скопление твердого полезного ископаемого, залегающее среди горных пород, называется рудным телом. Руды залегают в земной коре в виде геологических тел различной формы.
Основные виды полезных ископаемых:
- Топливно-энергетическое сырье, к которому относят нефть, газ, уголь, сланец, урановую руду. Еще в начале века основными видами топлива были каменный и бурый уголь. По состоянию на конец 2005 г. в мировом энергетическом балансе уголь занимал 33,8 %, нефть — 35,9, газ — 24,9, гидроэнергия — 2,9, атомная энергия — 2,2, геотермальная и другие возобновляемые источники энергии — 0,2 %.
- Руды черных и легирующих металлов являются сырьевой базой черной и цветной металлургии. Черная металлургия является потребителем марганцевых, хромитовых, никелевых, кобальтовых, молибденванадиевых руд. Их добыча растет также высокими темпами.
- Цветные металлы — это медь, свинец, цинк, олово и др. За 70 лет XX в. в мире было добыто 94,3 млн т цветных металлов. В 2000 г. их производство удвоилось. Самыми высокими темпами увеличивается производство алюминия, самыми низкими — добыча меди (из-за ограниченности разведанных запасов).
- Благородные металлы включают в себя золото, серебро, платиноиды. Основным производителем золота является Южно-Африканская Республика.
- Неметаллическое сырье — апатит, фосфориты, калийные соли, асбест, сера, графит, алмазы, слюда, плавиковый шпат, строительные материалы.
Естественное скопление полезного ископаемого (минерала или агрегата минералов) в земной коре, разработка которого экономична, называется месторождением полезного ископаемого. Месторождения могут быть коренными и россыпными.
Россыпные месторождения образовались в процессе физического выветривания коренных горных пород и химического воздействия на них различных факторов. Россыпные месторождения разделяются на элювиальные (залегают на месте разрушения коренных пород), делювиальные (перемещенные на некоторое расстояние от коренного месторождения и в большинстве случаев являющиеся продолжением элювиальных), аллювиальные (перемещенные на значительные расстояния водными потоками), береговые, ледниковые и эоловые (элювиальные россыпи, перенесенные силой ветра).
По добываемому полезному ископаемому различают рудные и нерудные месторождения. Рудой называется естественное минеральное вещество, из которого путем соответствующей переработки извлекаются содержащиеся в нем металлы и полезные минералы (табл. 2.2).
Каждое месторождение полезных ископаемых располагается в пределах литосферы нашей планеты и поэтому представляет собой литосферный объект с физически выраженными или условными границами, главным свойством и идентификационным признаком которого является хозяйственная ценность вещества литосферы внутри этих границ.
Для использования полезных свойств этого объекта необходимо отделить его от окружающих пород и вынуть на поверхность с помощью комплекса работ, которые принято называть добычными. Поэтому в таком качестве определяющее значение приобретают горно-геологические свойства этого участка литосферы, т. е. те характеристики, от которых будет зависеть выбор решений по извлечению полезного ископаемого из литосферы.
Но так как в современной экономике основным и обязательным условием проведения любых действий является их доходность, то каждое месторождение может быть рассмотрено как экономический объект, главным свойством которого является положительная разница между ценностью получаемого из литосферного вещества и затратами на его извлечение. И, наконец, любое месторождение, будучи частью литосферы, является частью абиоты (неживой составляющей) всей экосистемы планеты Земля и каждой из ее частей. Поэтому использование вещества месторождения в хозяйственных целях меняет условия существования экосистем всех иерархических уровней и может быть рассмотрено как экосистемный объект, главным требованием к которому является сохранение биоты (живой части) экосистем.
Сущность профессии горного инженера заключается в извлечении из земной коры необходимых минеральных ресурсов с обязательным обеспечением оптимального баланса между требованиями и ограничениями, вытекающими из многозначности понятий месторождение полезного ископаемого и разработка месторождений.
Вполне очевидно, что извлечение из земных недр части вещества приводит к нарушению установившегося равновесия и тем самым изменяет свойства и состояние определенных участков литосферы с образованием в ней нового объекта — техногенно измененных недр. Этот объект можно представить себе как некий объем, окруженный нетронутой литосферой, внутри которого находится зона техногенного разрушения литосферы и зона спровоцированного этим разрушением изменения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород.
Так как понятие «техногенно измененные недра» включает в себя также участки литосферы, затронутые сопутствующими изменениями при сохранении плотности горных массивов, то принципиальное значение приобретает вопрос о внешней границе этих сопутствующих изменений состояния, т. е. о границах нового техногенного литосферного объекта.
Задача о переходах между двумя системами с различными свойствами тоже рассматривается в теоретической экологии, где сформулировано понятие экотона — зоны перехода между различными биологическими сообществами, в которой проявляются их встречные влияния. Как видно из рисунка 2.2, экотон представляет собой полосу на поверхности, в пределах которой свойства контактирующих систем вырождаются до нуля. Закон вырождения свойств в каждом конкретном случае определяется свойствами систем и характером их взаимодействия. Такая модель достаточно адекватно описывает процессы взаимодействия техногенно измененных недр с невозмущенной литосферой. Она трехмерна: техногенно измененные недра предстают в виде замкнутого объемного литосферного объекта, ограниченного в пространстве двумя условными поверхностями «нулевого» влияния контактирующих систем; на внутренней поверхности не проявляется влияние невозмущенной литосферы, а на внешней — техногенно измененных недр (рис. 2.2).
Состояние породного массива в зоне прямого техногенного воздействия определяется особенностями процессов извлечения полезных ископаемых, т. е. набором необходимых для этого неизбежных действий. Если отвлечься от частностей, то для осуществления главной целевой функции добычи минерального сырья — включения части ресурсов литосферы в оборот вещества и энергии техносферы — необходимо обеспечить: доступ с земной поверхности к месту залегания полезного компонента, придать этому компоненту подвижность и выдать его на поверхность Земли. Это три обязательных этапа обобщенной функциональной модели техногенного изменения недр при добыче минерального сырья.
При строительстве подземных сооружений, когда полезным компонентом является пустота (создаваемые полости), схема остается в принципе такой же, но на втором этапе подвижность придается не полезному компоненту, а материалу литосферы, заполняющему будущую полезную полость. Тот же материал выдается на поверхность на третьем этапе.
В рамках функциональной модели добычи полезных ископаемых не существует качественных различий между открытым и подземным способом разработки месторождений. Разница между ними заключается только в величине соотношения размеров горизонтального сечения выработок доступа (Sд) и отрабатываемого участка литосферы (Sот): Sд ≥ Sот — открытая разработка; Sд < Sот — подземная разработка (включая скважинную добычу флюидов).
Новое для вещества литосферы свойство — подвижность — может быть обеспечено в рамках применяемых геотехнологий либо дезинтеграцией этого вещества в заданном объеме (большая часть твердых полезных ископаемых), либо изменением его агрегатного состояния (например, выплавка серы), либо путем создания условий для миграции полезного компонента — физических (нефть, газ, вода, тепло) или химических (выщелачивание металлов на месте залегания).
Применительно к первому случаю все многообразие технических и технологических решений, используемых при освоении месторождений твердого минерального сырья, можно объединить в несколько групп, каждая из которых по своему влияет на изменение свойств природных объектов литосферы, характеризуется определенными геомеханическими параметрами, динамикой и масштабами последствий техногенного вторжения в литосферу.
Для каждой из групп характерны свои, только ей присущие способы техногенного изменения свойств участков литосферы и специфические последствия, проявляющиеся при восстановлении равновесия в техногенно измененных участках недр после завершения процессов добычи полезных ископаемых. Характерные особенности каждой группы могут быть с успехом использованы для разработки обобщенных моделей техногенного вторжения в природные объекты литосферы, прогноза последствий такого вторжения и механизма воспроизводства устойчивых динамических структур окружающей среды после отработки месторождения.
К первой группе относятся технические и технологические решения, связанные с образованием полостей различной конфигурации в недрах литосферы, которые обладают природной способностью противостоять возмущению исходного поля напряжений, вызванному появлением полостей. Возникающие на контуре выработок напряжения и деформации со временем релаксируют без сколько-нибудь заметного влияния на окружающий массив. Время существования таких выработок может исчисляться столетиями, и они не вызывают существенных изменений в окружающих их природных объектах (образованиях) литосферы.
Сюда относятся выработки различного назначения при подземном строительстве, очистные выработки при добыче штучного камня, каменной соли, руд черных и цветных металлов, особенно при разработке месторождений под дном морей и водоемов, когда несущие целики рассчитываются на длительную прочность с большим запасом. Этот способ выемки характеризуется низким (около 30–40 %) извлечением полезного ископаемого; основная масса запасов месторождения при этом сосредоточена в целиках. Развитие возмущений в литосфере при таком способе техногенного воздействия ограничивается поверхностными изменениями на контуре выработок и оставленных несущих опор, а вся картина перераспределения напряжений исходного поля охватывает незначительную часть массива, непосредственно прилегающую к выработанному пространству. Поведение таких выработок хорошо описывается классическими задачами теории упругости.
Характерной особенностью открытого способа разработки является то, что в соответствии с принятым порядком работ полезное ископаемое изымается только после того, как вынуты налегающие породы, в которых могли бы произойти изменения геофизических свойств. Поэтому описанная выше общая модель техногенно измененных недр принимает вид, в котором зона полного разрушения и техногенного изъятия материала литосферы целиком поглощает зону изменения физических свойств, и в состав техногенно измененных недр входят только собственно объем карьера и прилегающая к его внешним контурам зона перехода геофизических свойств.
Ко второй группе относятся наиболее распространенные в угольной промышленности, черной и цветной металлургии, на предприятиях химической промышленности технологии добычи минерального сырья с обрушением налегающей толщи пород. Различные модификации данного способа разработки применяются при выемке пологих, наклонных и крутых залежей любой формы, начиная с поверхности и до глубин, исчисляемых тысячей и более метров. Основная отличительная черта этих технологий — обязательное обрушение налегающей толщи пород вслед за выемкой полезного ископаемого. Отработка месторождения осуществляется планомерно сверху вниз при выемке крутопадающих либо наклоннопадающих рудных тел (пластов) от центра к флангам или от одного фланга к другому при выемке пологих залежей (пластов).
В результате по мере отработки месторождения происходят заполнение выработанного пространства обрушенными вмещающими породами, развитие зон неупругих перемещений за зоной непосредственного разрыхления пород и образование мульды сдвижения пород на поверхности. Эти процессы развиваются параллельно с отработкой месторождения, после чего происходят постепенное затухание необратимых деформаций во вмещающих породах и уплотнение обрушенных пород внутри мульды сдвижения. В случае, когда осуществляется разработка месторождения в очень прочных, жестких породах, происходит запаздывание с обрушением основной массы налегающих пород, образуется зависающая консоль монолитных пород висячего бока, которая затем может мгновенно сдвинуться в сторону выработанного пространства, генерируя сейсмические колебания большой энергии, соизмеримые с природным землетрясением (Апатиты, Таштагол).
При выемке пластовых месторождений формирование мульды сдвижения и ее параметров происходит аналогичным образом; этот механизм хорошо изучен для отдельных горных регионов (Донбасс, Кузбасс, Печорский угольный бассейн).
В целом модель техногенного вторжения такого рода может рассматриваться как объем определенных размеров, изменение которого сопровождается необратимыми процессами в ближней зоне и последующим ее уплотнением за счет распространения неупругого расширения (разрушения) пород вглубь массива. Границы зоны техногенного изменения пород литосферы определяются условием достижения равновесия между величиной реакции бокового распора нетронутого массива и отпором, создаваемым обрушенными и уплотненными породами зоны обрушения.
Третья группа технологий разработки месторождений минерального сырья связана с заполнением выработанного пространства искусственно получаемым материалом с определенными прочностными и деформационными свойствами. Иногда для уменьшения величины деформаций налегающей толщи пород и сокращения затрат на создание искусственного материала в выработанном пространстве оставляют регулярные вертикальные целики, работающие за пределом прочности. Размещенные в массиве закладки, они выполняют роль арматуры, изменяя деформационные свойства материала, заполняющего выработанное пространство.
Аналогичным образом происходит деформирование вмещающих пород при разработке нефтяных и газовых месторождений, когда по мере выработки нефти и газа снижается противодействие давлению налегающих пород, и они плавно оседают над продуктивной толщей на величину, соизмеримую с изъятым объемом. Таким образом, третья модель техногенного вторжения в литосферу характеризуется тем, что материал литосферы замещается техногенным материалом с известными (заданными) прочностными и деформационными свойствами, которые определяют масштабы переходной зоны, формирующей техногенно измененные недра как новый литосферный объект. По характеру релаксационных процессов эта модель занимает промежуточное положение между двумя представленными выше.
