Геология как одна из фундаментальных естественных наук
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
УКРАИНЫ
ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ГЕОЛОГИИ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
ВАРИАНТ №1
г. ДНЕПРОПЕТРОВСК
2010г.
Содержание
1. Геология как наука, объекты исследований,
ее научные направления
2. Определение МПИ, классификация ПИ по
применению в народном хозяйстве
3. Руды черных и легированных металлов
1. Геология как наука, объекты исследований, ее научные
направления
Геология - одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение,
состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и
процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология
опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные
методы исследования. В отличие от других наук о Земле, геология занимается
исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной
каменной оболочки планеты - земной коры и взаимодействующих с ней внешних и
внутренних оболочек Земли внешние - атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние
- мантия и ядро.
Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные
породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.
Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией,
геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные
науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой,
хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных
дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных
геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы
занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы,
литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия - наука, изучающая
минералы как природные химические соединения и геохимия - наука о распределении
и миграции химических элементов в недрах земли.
Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает
динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и
вулканология.
Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и
Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и
носит название историческая геология.
Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как
о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология,
геокриология.
В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение
науки связанные с исследованием космоса космическая геология, дна морей и
океанов морская геология.
Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими
естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К
таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и
разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как
ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны
геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа
земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.
В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и
математические методы. Прямые - это методы непосредственных наземных и
дистанционных из тропосферы, космоса изучений состава и строения земной коры.
Основной метод это геологическая съемка и картирование. Изучение состава и
строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений. Это обрывы
рек, оврагов, склоны гор, искусственных горных выработок, каналы, шурфы,
карьеры, шахты и буровые скважины максимальная глубина 3,5 - 4 км в Индии и
ЮАР, Кольская скважина - 12 км. 262м. В горных районах можно наблюдать
естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в
сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 - 20 км. Таким
образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород
применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в
вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам
можно судить о составе вещества на глубинах 50 - 100 км и больше, где обычно
располагаются вулканические очаги. Косвенные - геофизические методы, которые
основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли,
позволяющие исследовать значительные глубины недр.
Различают сейсмические, гравиметрические, электрические,
магнитометрические и др. геофизические методы. Из них наиболее важен
сейсмический метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле
упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах.
Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага
землетрясений. Бывают 2 типа: продольные Vp, возникающие как реакция среды на
изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются
наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на
изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения
сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих
свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее
распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн
позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и
плотностью.
Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных
геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных
пород. Математические методы в геологии направлены на повышение оперативности,
достоверности и ценности геологической информации.
Геология Земли - относительно молода. Все происходящее в недрах нашей
планеты изучено пока еще не полно, существует много тайн и загадок, над
которыми нужно работать и работать.
2. Определение МПИ, классификация ПИ по применению в народном
хозяйстве
Месторождением полезных ископаемых
называется участок земной коры, в котором в результате геологических процессов
произошло накопление минерального вещества по количеству, качеству и условиям
залегания пригодного для промышленного использования. Полезные ископаемые
бывают газообразными, жидкими и твердыми. К газообразным полезным ископаемым
относятся горючие и благородные газы, к жидким принадлежат нефть, подземные и
поверхностные воды. Основная масса полезных ископаемых относится к твердым,
которые используются в «сыром» виде гранит, мрамор, глина, для извлечения из
них ценных компонентов металлы, в таком случае они называются рудой, могут
использоваться целиком, но для дальнейшей переработки соли, могут применяться
кристаллы пьезокварц, исландский шпат.
По промышленному использованию и
применению месторождения подразделяют на рудные или металлические, нерудные или
неметаллические, горючие и гидроминеральные. Каждая из этих групп делится на
подгруппы. Так, рудные месторождения подразделяются на месторождения черных,
цветных, легких, благородный, радиоактивных, редких и рассеянных металлов.
Среди нерудных полезных ископаемых выделяют месторождения химического,
агрономического, металлургического, технического и строительного минерального сырья.
К горючим полезным ископаемым относятся месторождения нефтяные, горючих газов,
углей, горючих сланцев и торфа. Гидроминеральные месторождения разделяют на
месторождения питьевых вод, технических, бальнеологических и минеральных.
Количество минерального сырья в
недрах называется его запасами или ресурсами. Качество минерального сырья
определяется содержанием в нем ценных и вредных компонентов. Качество многих
неметаллических соединений связано с их физическими и химическими свойствами.
Качество горючих полезных ископаемых определяется теплотворной способностью.
Минимальные запасы и содержание ценных
компонентов, а также максимально допустимое содержание вредных примесей, при которых
возможна эксплуатация месторождения, называют промышленными кондициями.
Понятия о
месторождении полезных ископаемых, о кондициях не являются строго
определенными, раз и навсегда заданными. Они изменяются по следующим причинам:
1)
исторически, по
мере изменения потребностей человечества в минеральном сырье: развитие
цивилизации сопровождается неуклонным ростом потребления полезных ископаемых,
что приводит к тому, что со временем разрабатываются месторождения с более бедными
рудами.
2)
совершенствование
техники добычи и технологии переработки минерального сырья.
3)
промышленные
кондиции неодинаковы для разных природных условий и каждый раз определяются при
помощи экономических расчетов.
В зависимости от масштабов проявления
месторождений полезных ископаемых выделяются следующие категории рудоносных
площадей: провинция, область пояс, бассейн, район узел, поле, месторождение,
рудное тело.
К провинциям относят
крупные структурные элементы земной коры, относящиеся к платформам, складчатому
поясу, дну морей и океанов с размещенными в их пределах свойственными им
месторождениями.
Область
полезных ископаемых входит составным элементом в провинцию, она характеризуется набором
определенных по составу и происхождению месторождений полезных ископаемых,
приуроченных к тектоническим элементам первого порядка. Вытянутые линейные
области, приуроченные к прогибам, глубинным разломам, рифовым системам, называют
рудными поясами. Бассейны полезных ископаемых представляют собой области
непрерывного или почти непрерывного распространения пластовых полезных
ископаемых.
Рудным
районом называют
местное скопление месторождений в пределах более крупных таксонов провинций,
областей, поясов и бассейнов, приуроченное к определенным тектономагматическим
и литолого-фациальным обстановкам. В случае концентрации серии месторождений
определенных видов полезных ископаемых к местам пересечения разломов, такой
район называют рудным узлом.
Рудное
поле представляет
собой небольшой участок земной коры, в пределах которого располагаются
одновременно образовавшиеся, генетически родственные месторождения и
объединяемые единством геологической структуры.
Рудным
телом называется
локальное скопление природного минерального сырья, приуроченное к определенному
структурно-геологическому элементу или их комбинации.
Рудные тела чрезвычайно разнообразны:
по форме. Можно выделить лишь главные типы рудных тел: пласты, линзы, жилы,
трубы или столбы, штокверки, штоки, тела неправильной формы, гнезда,
комбинированные залежи.
Пластами называют плоские тела полезных ископаемых,
образующиеся в водных бассейнах синхронно с вмещающими осадочными породами.
Метасоматические тела, развивающиеся по отдельным пластам осадочных пород,
приобретают характер пастообразных залежей. Различают пласты простые без
прослоев породы и сложные с прослоями породы, крутопадающие, с
углами падения более 45о, и полого падающие, с углами падения менее
45о.
Линзы представляют собой плоские тела доскообразной
или лентообразной формы.
Жилы
- это трещины в горных
породах, выполненные минеральных веществом, но имеются и метасоматические жилообразные
тела. Выделяют следующие элементы жил: зальбанды - контакты жилы с вмещающими
породами; апофизы - ответвления, отходящие от жил в боковые породы. В пределах
жил обособляются участки с повышенным содержанием полезных компонентов, их
называют
рудными столбами. По особенностям морфологии среди жил выделяются
четко видные, камерные, седло видные, лестничные и оперенные.
Трубы,
трубки и трубообразные и столбообразные залежи представляют собой удлиненные по
одной оси рудные тела. Они часто имеют форму удлиненных, опрокинутых вершиной
на глубину конусов.
Время формирования месторождений
вполне соизмеримо с продолжительностью геологических процессов и, прежде всего,
временем образования горных пород. Непосредственные определения абсолютного
возраста указывают на то, что рудообразование может протекать в зависимости от
генетической природы и стабильности рудно-металлогенических процессов от тысяч
до десятков миллионов лет. В короткие отрезки времени до десятков тысяч лет
возникают жильные и штокверковые месторождения, ассоциирующие с гранитоидным и магматизмом.
Более длительные эпохи 5 - 10 млн. лет необходимы для формирования осадочные
железорудные пластов или рудных комплексов расслоенных ультраосновных массивов.
Выделяются четыре уровня глубины
формирования месторождений полезных ископаемые: приповерхностный 0 - 1,5 км, гипабиссальный
1,5 - 3,5 км, абиссальный 3,5 - 10 км и ультраабиссальный больше 10 км.
Приповерхностные месторождения представлены: всеми
типами экзогенных накоплений, вулканогенными и осадочными рудами. Их
формирование протекало в обстановке обилия кислорода, низких давлений и температур.
Для руд характерны голоморфные и мелкозернистые агрегаты.
Гипабиссальный
уровень наиболее
богат разнообразием рудных образований. Здесь локализуются практически все
промышленно-генетические типы эндогенных месторождений. Эта область
преимущественного развития гидротермальных, скарбовых и магматических в
расслоенные интрузия скоплений полезных ископаемые.
Абиссальная
зона бедна
рудными образованиями. Здесь формируются главным образом альбитит-грейзеновыш,
карбонатитовые, пегматитовые и часть магматических месторождений, ассоциирующих
с крупными гранитоидными, основными и ультраосновными полутонами.
В ультраабиссальной зоне
образуется небольшая группа метаморфических месторождений дистеновыш, силлиманитовые
и андалузитовые сланцы, рутил, корунд. Кроме того, здесь испытывают
значительные преобразования руды, сформировавшиеся на вышерасположенные в уровнях,
прежде всего метаморфизованные месторождения железа и марганца.
Таким образом, в верхней оболочке
земной коры мощностью около 15км рудной сфере концентрация полезные ископаемые
наиболее значительна на приповерхностном и гипабиссальном уровнях. Ниже
интенсивность рудообразования уменьшается и в ультраабиссальной зоне
практически прекращается.
Месторождения полезных ископаемых классифицируются по
применению в народном хозяйстве по технологии использования. Применяется также генетическая
классификация, в основу которой положены возраст и особенности происхождения;
при этом обычно выделяют ресурсы докембрийской, нижнепалеозойской,
верхнепалеозойской, мезозойской и кайнозойской геологических эпох.
Месторождения полезных ископаемых классифицируются по технологии
использования:
1. Топливно-энергетическое сырье нефть,
уголь, газ, уран, торф, горючие сланцы.
2. Черные, лимитирующие и тугоплавкие
металлы железо, хром, марганец, кобальт, никель, вольфрам.
3. Цветные металлы - цинк, алюминий,
медь, свинец.
4. Благородные металлы - серебро,
золото, металлы платиновой группы.
5. Химическое и агрономическое сырье -
фосфориты, апатиты.
Классификация по технологии использования:
1. Топливные ресурсы. Их принято учитывать
по двум главным категориям - обще геологических и разведанных ресурсов. В целом
в мире на долю угля приходится 70-75% всех топливных ресурсов, а остальная
часть примерно поровну распределяется между нефтью и природным газом.
Уголь широко распространен в земной коре: известно более 3,6 тыс. его бассейнов
и месторождений, которые в совокупности занимают 15% земной суши.
Нефть распространена в земной коре еще более чем уголь: геологи выявили
примерно 600 нефтегазоносных бассейнов и обследовали около 400 из них. В
результате реально перспективные на нефть и природный газ территории занимают,
по разным оценкам, от 15 до 50 млн. км2. Однако мировые ресурсы
нефти значительно меньше угольных.
Это относится к обще геологическим ресурсам, оценки которых обычно
колеблются в пределах от 250 до 500 млрд. т. Иногда, правда, они поднимаются до
800 млрд. т.
Природный газ распространен в природе в свободном состоянии - в виде
газовых залежей и месторождений, а также в виде газовых шапок над нефтяными
месторождениями. Используются также газы нефтяных и угольных месторождений.
Обще геологические ресурсы природного газа в различных источниках
оцениваются от 300 трлн. м3 до 600 трлн. и выше, но наиболее
распространена оценка в 400 трлн. м3.
Металлические ресурсы рудные также широко распространены в земной коре. В
отличие от топливных, генетически всегда связанных с осадочными отложениями,
рудные залежи встречаются в отложениях как осадочного, так и в еще большей мере
кристаллического происхождения. Территориально они также нередко образуют целые
пояса рудо накопления, иногда такие гигантские, как Альпийско-Гималайский или Тихоокеанский.
Наиболее широко представлены в земной коре руды железа и алюминия.
Бокситы - главное алюминиево содержащее сырье, состоящее в основном из
гидроокислов алюминия. Месторождения их находятся в осадочных породах и большей
частью связаны с участками коры выветривания, причем расположенными в пределах
тропического и субтропического климатических поясов. Обще геологические ресурсы
бокситов обычно оценивают примерно в 250 млрд. т, а разведанные их запасы в 20-30
млрд. т. Содержание глинозема в бокситах примерно такое же, как железа в
железных рудах, поэтому запасы бокситов, как и запасы железных руд всегда
оценивают по руде, а не по ее полезному компоненту.
2. Технические ресурсы, строительные материалы.
Песок, глина, щебень
Полезные ископаемые это богатство природы, которые человечество
использует для удовлетворения своих потребностей. Ресурсы расположены
неравномерно, и запасы их неодинаковы, поэтому отдельные страны имеют различную
ресурсо-обеспеченность.
3. Руды черных и легированных металлов
Руды черных металлов входит в состав всех как изверженных, так и
осадочных горных пород, но под названием черных руд понимают такие скопления
железистых соединений, из которых в больших размерах и с выгодой в
экономическом отношении может быть получаемо металлическое железо. Железные
руды встречаются лишь на ограниченных пространствах и только в известных
местностях. По химическому составу представляют собой окиси, гидраты окисей и
углекислые соли закиси железа, встречаются в природе в виде разнообразных
рудных минералов, из которых главнейшие: магнитный железняк или магнетит,
железный блеск и плотная его разновидность красный железняк, бурый железняк, к
которому относятся болотные и озерные руды, наконец, железняк в его
разновидность сферосидерит. Обыкновенно каждое скопление названных рудных
минералов представляет смесь их, иногда весьма тесную, с другими минералами, не
содержащими железа, как, например, с глиной, известняком или даже с составными
частями кристаллических изверженных пород. Иногда в одном и том же месторождении
встречаются некоторые из этих минералов совместно, хотя в большинстве случаев
преобладает какой-нибудь один, а другие связаны с ним генетически.
Начало применения железа относится к ІІІ тысячелетию до н.э., когда люди из метеоритов делали
орудия труда и охоты, украшения. В I тысячелетии до н.э. люди начали выплавлять
железо из руд, на смену бронзовому веку пришел век железа. С развитием
металлургии бурые железняки начали плавить в домнах сначала на древесном угле,
а с ХIХ в. на каменном угле и коксе. Из чугуна научились выплавлять сталь. А в
ХХ в. и высококачественные легированные стали путем добавок марганца, хрома,
титана, никеля, кобальта, ванадия, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала.
К легирующим металлам относятся: марганец, хром, титан, ванадий, никель,
кобальт, молибден, вольфрам в основном применяются как легирующие добавки для
изготовления легированных сталей.
Марганец
Марганцевые руды использовались с конца XVIII в. для изготовления красок и медицинских препаратов.
В связи с развитием черной металлургии марганцевые руды начали широко
применяться со второй половины XIX в.
В настоящее время металлургия является главным потребителем марганца.
Добавка марганца повышает вязкость стали, ее твердость и ковкость, способствует
переходу в шлак многих вредных примесей. В небольших количествах марганец
используется в электротехнической, химической и керамической промышленности.
Хром
Хромо содержащие руды были впервые выявлены на Урале в 1799 году. В
начале XIX в. они использовались в качестве огнеупорного материала для футеровки
металлургических печей, получения красок и дубителей кожи. В конце XIX в. хром
начал широко использоваться в качестве легирующего металла. В настоящее время
основным потребителем хромо содержащих руд является металлургическая
промышленность 65%, остальные используются в огнеупорной и химической
промышленности. Хром применяют для производства нержавеющих, жаропрочных,
кислотоупорных, инструментальных и других сталей.
Титан
Титан был открыт в 1791 году, но применяться начал лишь с середины XX в.
Свойства титана уникальны: температура плавления 17250.
Титан отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Титановые
сплавы, отличающиеся высокой прочностью, ковкостью и свариваемостью,
применяются в космической технике, авиационной, автомобильной,
судостроительной, пищевой и медицинской отраслях промышленности. Карбид титана
применяется для изготовления сверхтвердых сплавов, двуокись титана для
производства стойких титановых белил, пластмасс и в целлюлозно-бумажной
промышленности.
Ванадий
Ванадий был открыт в 1801г., используется с начала XX в. для легирования
чугуна и стали. Он повышает твердость, упругость, износоустойчивость и
сопротивление разрыву. Титано ванадиевые сплавы применяются для изготовления
реактивных самолетов и космической техники. Известны также сплавы V с Cu, Ta,
Nb, Zr, Ni, Co, Al и Mg. В химической промышленности ванадий применяется в
качестве катализатора при крекинге нефти, производстве красок, каучука.
Никель
Никель известен с глубокой древности, но промышленное производство
началось в первой половине XIX в. Никель используется для покрытия
металлических изделий для придания им высокой химической и термической
стойкости. Добавка к сталям повышает их вязкость, упругость, антикоррозионные
свойства. Применяются также сплавы Ni с Cu, Zn, Al, Cr, монетный сплав содержит
75% Cu + 25% Ni.
Кобальт
Кобальтовые краски использовались в глубокой древности. Металлический
кобальт впервые получен в 1735г. Резкое возрастание потребления кобальта
относится к началу XX в. В настоящее время свыше 40% Co используется для
производства сплавов и супер сплавов, сверхтвердых сплавов Co с Ni, Fe, Cr, W,
Mo.
Молибден
Молибден был открыт в 1778г., но широкое применение в промышленности он
нашел только в XX в. Свыше 80% всего добываемого молибдена используется в
металлургической промышленности в основном для легирования сталей и получения
супер сплавов. Молибденовые стали приобретают высокую твердость, вязкость,
тугоплавкость, кислотоупорность и ряд других ценных свойств. Металлический
молибден используется в производстве электроламп, электровакуумных приборов.
Кроме этого он употребляется в химической, нефтеперерабатывающей, керамической,
стекольной и других отраслях промышленности.
Вольфрам
Вольфрам в виде соединения WO3 был открыт в 1781 г, а
промышленное использование его для легирования сталей началось с конца XIX в.
Вольфрам применяется в производстве специальных сталей, присадка вольфрама к
стали повышает ее твердость, прочность, тугоплавкость, это быстрорежущие,
инструментальные, броневые стали, используемые в изготовлении оружия и
снарядов. Вольфрам в сочетании с Cr, Ni, Co используется для изготовления
жаропрочных и сверхтвердых сплавов – победитов, карбидов, боридов.
Список использованной литературы
1. Пешковский Л.М., Перескокова Т.М.
Инженерная геология 1982г.
2. КононовВ.М., Крысенко А.М., Швец В.М.
Основы геологии гидрогеологии и инженерной геологии, М. 1978г.
3. Белевцев Я.Н. Железный пояс Земли
1987г.
4. Красулин В.С. Справочник
техника-геолога 1986г.
5.
Цытович Н.А.
Механика грунтов 1983г.
6. Альбомов М.Н. Рудная геология 1973г.
7. Аристов В.В. Поиск и разведка
месторождений полезных ископаемых 1989г.