استخراج معادن دریایی (بخش دوم)

Marine beaches and continental shelves

سواحل دریایی و فلات های قاره

در ادامه ی مقاله ی استخراج معادن دریایی -اگرچه میکاها (micas) ، فلدسپات ها (feldspars) و سایر سیلیکات ها و همچنین کوارتز بخش عمده ای از مواد را در اکثر سواحل تشکیل می دهند ، اما مقادیر قابل توجهی از مواد معدنی با ارزش مانند: کلمبیت (columbite) ، مگنتیت (magnetite )، ایلمنیت (ilmenite) ، روتیل (rutile) و زیرکن (zircon) نیز معمولاً یافت می شوند. همه اینها به عنوان مواد معدنی سنگین طبقه بندی می شوند و همه به طور کلی در برابر هوازدگی شیمیایی و فرسایش مکانیکی مقاوم هستند.

طلا ، الماس ، کاسیتریت (cassiterite) ، شیلیت (scheelite) ، ولفرامیت (wolframite) ، مونازیت و پلاتین به ندرت در غلظت هایی که قابل استخراج باشند، یافت می شوند.

برای استخراج کانسار های ساحلی در بالای سطح دریا ، تکنیک های سطحی معمولی کافی است. از بیل های کششی معمولاً برای این کار استفاده می شود ، زیرا این بیل ها در منطقه خیزاب کرانه ای نیز کاربرد دارند. سواحل دریایی و کانسار های پلاسری توسط کابل فولادی (بکسل) یا لایروبی استخراج می شوند.

در روش های کابل فولادی ، ابزار یا سطل های حفاری بر روی یک کابل فولادی معلق شده و به سمت سطح رسوب و به طرف پایین حرکت می کنند ، در آنجا بارگیری و بازیابی می شوند.

بیل های مکانیکی با سطل چنگکی یا کاسچنگ (با نام هایی مانند clamshells و orange peels) شامل یک دستگاه حفاری مفصلی است که با بسته شدن این کاسچنگ ها از دو طرف ، در داخل رسوب فرو می روند و آن را بین چنگک های بسته شده خود قرار می دهند. سپس سطل و بار داخل آن را به سطح بالا می آورند ، چنگک ها روی سطح زمین از هم باز می شوند و بار خود را تخلیه می کنند.

لایروبی ها انواع مختلفی دارند مانند: انواعی که برای استخراج کانسارهای پلاسری مورد استفاده قرار می گیرد (به لایروبی بالا مراجعه کنید).

بسته به اندازه ی سطل یا مخزن ، قدرت و شرایط حفاری ، لایروبی سطل-نردبان می تواند با سرعت بالا اجرا شود. از این نوع لایروب ها در سراسر جهان برای استخراج طلا ، قلع و پلاتین و همچنین ذخایر الماس استفاده می شود. استفاده از آنها در دریا محدود به طلا و قلع بوده است.

لایروبی مکشی-هیدرولیکی عمدتاً توسط شرکت های معدنی برای حذف لایه های رویی از کانسارهای سنگ معدن استفاده می شود. بیشترین کاربرد آن در انتقال رسوبات غیر متراکم با چگالی نسبی کم برای فواصل طولانی که منبع مداوم آب در دسترس است ، می باشد. برای حفاری در رسوبات نیمه جامد ، از لایروبی های مکشی چرخ-سطل و مکشی-برشی استفاده می شود.

لایروبی های بالابر-هوایی نیز موثر هستند که با تزریق هوای فشرده به لوله ای که زیرآب است، کارمی کنند و این لوله به عمق حدوداً 60 درصد زیر آب قرار دارد. این امر باعث کاهش چگالی ستون سیال داخل لوله می شود به طوری که اگر قسمت بالای لوله از سطح آب خیلی دور نباشد ، مخلوط هوا و آب از آن سرریز می کند. آب و رسوب به سمت پایین لوله هجوم می آورند تا جایگزین آب از دست رفته در سرریز بالا شوند. ظرفیت این لایروبی های بالابر برای بلند کردن مواد جامد می تواند قابل توجه باشد. آنها همچنین بسیار ساده هستند زیرا هیچ قطعه متحرک زیر آب ندارند.

The seafloor

کف دریا (استخراج معادن دریایی)

کف حوضه های بزرگ اقیانوس را سطحی وسیع از تپه های ملایم و هموار پوشانده است ، در آنجا زاویه شیب ها عموماً از چند درجه بیشتر نمی شوند وارتفاع پستی و بلندی ها بیش از چند صد متر نمی باشد . متوسط عمق اقیانوس 3800 متر (حدود 12500 فوت) است. رسوبات غالب کف دریا ، لجن و رس است.

تخمین زده می شود که 1016 تن رسوبات آهکی (کلسیم کربنات) که از ته نشینی پوسته های آهکی و اسکلت موجودات پلانکتونی تشکیل شده است ، حدود 130 میلیون کیلومتر مربع (50 میلیون مایل مربع) از کف اقیانوس را پوشش می دهد.

در برخی موارد ، این رسوبات، که در چند صد کیلومتری اکثر کشورهای حاشیه دریا ایجاد می شوند ، تقریباً کربنات کلسیم خالص هستند. با این حال ، اجزای تشکیل دهنده آنها اغلب ترکیبی شبیه به سنگ های آهکی مورد استفاده در تولید سیمان پرتلند، دارند.

تخمین زده می شود که 1016 تن خاک رس قرمز حدوداً 104 میلیون کیلومتر مربع (40 میلیون مایل مربع) از کف اقیانوس را پوشش می دهد. اگرچه تجزیه و تحلیل ترکیبات آن به صورت جز به جزکارآ و گیرا نیست ، اما خاک قرمز ممکن است به عنوان یک ماده اولیه در صنایع محصولات خاک رس ارزشمند باشد یا در آینده به عنوان منبع فلزات بکار رود.

میانگین سنجش (یا عیار گیری) آن برای میزان آلومین حدود 15 درصد است ، اما سنجش و عیارگیری رس های قرمز متعلق به مکان های خاص تا 25 درصد آلومین را نشان می دهد و میزان محتوای مس تا 0.20 درصد نیز یافت شده است. چند صدم درصد فلزاتی مانند: نیکل و کبالت و تقریباً یک درصد منگنز نیز عموماً در بخش ریز ندولری رس ها وجود دارد و به احتمال زیاد می توان با یک فرآیند غربالگری یا با روش فیزیکی دیگر از سایر مواد جداً و اشباع شوند.

زیر شورآبه های گرم در دریای سرخ، حوضچه (آبگیر) هایی با رسوبات مملو از فلز وجود دارد و این رسوبات بالقوه ممکن است از اهمیت بالایی برخوردار باشند. برآورد شده است که بزرگترین حوض (آبگیر) موجود ، در Atlantis II Deep ، حاوی ذخایر غنی مس ، روی ، نقره و طلا در درجه و عیار های نسبتاً بالا است.

این حوض ها در فاصله 2000 متری (حدود 6،600 پا) آب در وسط راه بین سودان و شبه جزیره عربستان قرار دارند. به دلیل ماهیت ژل مانند: آنها ، پمپاژ این رسوبات به سطح ممکن است نسبتاً بدون عارضه باشد. این ذخایر امروزه تحت شرایط ژئوشیمیایی فعلی شکل می گیرند و از نظر ماهیت شبیه به برخی از ذخایرعمده سنگ معدنی در خشکی هستند. زیر شورآبه های گرم در دریای سرخ حوضچه هایی با رسوبات غنی از فلز وجود دارد که به طور بالقوه ممکن است از اهمیت قابل توجهی برخوردار باشند. برآورد شده است که بزرگترین استخر از این قبیل ، Atlantis II Deep ،

حاوی ذخایر غنی مس ، روی ، نقره و طلا در درجه های نسبتاً بالا است. این استخرها در فاصله 2000 متری (حدود 6،600 فوت) آب در وسط راه سودان و شبه جزیره عربستان قرار دارند. به دلیل ماهیت ژل مانند: آنها ، پمپاژ این رسوبات به سطح ممکن است نسبتاً آسان باشد. این کانسارها امروزه تحت شرایط ژئوشیمیایی فعلی شکل می گیرند و از نظر ماهیت شبیه به برخی از عمده کانسارهای سنگ معدن در خشکی هستند.

مهمترین کانسارهای معدنی شناخته شده (اما هنوز مورد بهره برداری قرار نگرفته) ندول های (گرهک) فسفریت و منگنز هستند. از نظر اقتصادی ، ندول های منگنز (در واقع مخلوط دی اکسید منگنز) اهمیت بیشتری دارند. این ندول ها در انواع مختلف فیزیکی یافت می شوند ، اما اندازه ی متوسط آنها حدود 3 سانتی متر (1.2 اینچ) است.

تخمین زده می شود که 1.5 تریلیون تن ندول منگنز تنها در کف اقیانوس آرام قرار دارد. این ندول های منگنز به طور متوسط حدود 4 سانتی متر (1.6 اینچ) قطر دارند و در غلظت های 38.600 تن در کیلومتر مربع یافت می شوند ، حاوی 2.5 درصد مس ، 2.0 درصد نیکل ، 0.2 درصد کبالت و 35 درصد منگنز است.

در برخی از کانسارها ، محتوای کبالت و منگنز به ترتیب تا 2.5 و 50 درصد است. اگر با چنین غلظتی در خشکی یافت شوند، به عنوان سنگ معدنی با عیار و درجه بالا شناخته می شوند و به دلیل گستردگی افقی کانسار ، منبع بالقوه ای برای بسیاری از فلزات مهم صنعتی است.

از نظر تجاری با به کار گیری دو روش، انتقال ندول ها به سطح سودمند و به صرفه است. این دو روش شامل استفاده از دستگاه های لایروبی کششی و لایروبی هیدرولیکی درعمق دریا می شوند. لایروبی کششی در اعماق دریا به گونه ای طراحی شده است که تنها یک لایه نازک از مواد را از کف دریا جدا می کند تا زمانی که سطل آن با ندول پر شود.

سپس لایروبی بازیابی می شود، سطل بر روی ریل (زنجیر) پشت کشتی لایروبی کشیده می شود و بار را به داخل مخزن می ریزد. چنین سیستمی به همراه موتورهای زیرآبی و پمپ های مرتبط با آن ، می تواند برای استخراج ندول ها با سرعت 10000 تا 15000 تن در روز ، از اعماق 6000 متر (حدود 19700 فوت) استفاده شود.

به عنوان یک عملیات متناوب که برای پایین آوردن و بالا بردن سطل نیاز به بازه های زمانی غیرمولد قابل توجهی دارد ، لایروبی کششی زیان های اقتصادی مهمی در پی خواهد داشت.

هرگونه عملیات بزرگ برای استخراج رسوبات کف دریا باید مستمر باشد تا کارآمد باشد و لایروبی هیدرولیکی می تواند راه حلی برای این چالش باشد. تمهیدات موجود برای لایروبی هیدرولیکی ممکن است شامل یک پمپ ، یک سیستم بالابر هوا و یک کلکتور (collector) خودکششی برای ندول زیرین باشد.

اصول و قواعد معین و مختلفی برای جمع آوری ندول موجود است که عبارتند از انواع سطل های متفاوت ، تراش ، براش و جت آب. محل پمپ با توجه به سطح اقیانوس، به ضریب سیال- جامد مواد موجود در لوله و همچنین سرعت سیال بستگی دارد.

اگرچه انجام عملیات برای بازیابی ندول های منگنز از کف دریا بسیار پرهزینه بوده است ، اما الماس و سایر مواد معدنی با استفاده از وسایل نقلیه از راه دور (ROVs) و ماشین های برش (برای حفرتونل عمودی)، با موفقیت از کف دریا استخراج شده اند.

Solution mining

استخراج محلول

Brine solution mining

استخراج محلول آب نمک

چاه های آب نمک (شورآبه) طبیعی منبع درصد زیادی از برم (bromine) ، لیتیوم (lithium) و بور (boron ) و مقادیر کمتری پتاس ، ترونا (کربنات سدیم) ، نمک گلاوبر (سولفات سدیم) و منیزیم در جهان هستند.

علاوه بر این ، با حل کردن عناصر حاوی مواد معدنی محلول مانند: هالیت (نمک سنگ ؛ کلرید سدیم) ، پتاس ، ترونا و بور، آب نمک های مصنوعی تولید می شوند. این فعالیت اخیر به عنوان استخراج محلول آب نمک شناخته می شود و این بخش از مقاله به مبحث استخراج محلول نمک می پردازد.

شروع تمام تکنیک ها با حفاری موفق یک چاه آزمایشی (گمانه) در قسمت فوقانی سازند نمک می باشد. چاه با یک یا چند لوله از فولاد یا مصالح دیگر، روکش یا پوشش شده است و سپس حفره به ته سازند امتداد می یابد. در این مرحله یکی از چهار پیکربندی مختلف تولید مورد استفاده قرار می گیرد.

در روش تزریق فوقانی ، لوله ها در داخل چاه تا انتهای حفره معلق هستند. آبی که به فضای حلقه ای (فضای محصور) یا حلقه باز بین لوله داخلی و روکش تزریق شده، به قسمت فوقانی سازند نمک منتقل می شود و نمک را در نزدیکترین نقطه ورودی حل می کند.

آب نمک به انتهای حفره فرو می رود ، در آنجا از طریق لوله از چاه خارج می شود. در نتیجه یک غار بزرگ شیپوری مانند، به شکل گل ” نیلوفر پیچ morning glory “  (یعنی در بالا پهن و در پایین باریک) شکل می گیرد. در تکنیک تزریق زیرین ، از همان هندسه اولیه استفاده می شود ، اما آب شیرین از طریق لوله معلق در انتهای سازند تزریق می شود و آب نمک از طریق فضای حلقه ای در قسمت فوقانی استخراج می شود.

غاری بزرگ به شکل “گلابی ” (یعنی در قسمت پایین پهن) ایجاد می شود و در نهایت تغییر می کند و به شکل یک بشکه در می آید. اگر این روند ادامه یابد ، این غار به شکل یک گل بالغ نیلوفر پیچ تغییر شکل می دهد. در تکنیک تزریق حلقوی تحتانی ، آب از طریق فضای حلقه ای روکش تزریق می شود ، که در نزدیکی کف سازند نمک قرار دارد و آب نمک از طریق لوله ، که کمی عمیق تر نصب شده است ، خارج می شود.

در این روش یک غار بزرگ بشکه ای شکل ایجاد می شود. نوع متفاوتی از تزریق حلقوی تحتانی این است که دو لوله متحدالمرکز را در چاه پوشش دار معلق می کند. آب از طریق حلقه بین لوله اول و دوم تزریق می شود و آب نمک از لوله داخلی پایینی استخراج می شود.

روغن و هوا از طریق فضای حلقه ای بین بدنه و لوله اول تزریق می شود و چون سبک تر از آب یا آب نمک است ، به سمت بالای غار شناور می شود ، و در این صورت مانع گسترش غار به سمت بالا می شود اما امکان گسترش جانبی وجود دارد. وقتی غار به آن قطر و ارتفاع مورد نظر برسد، روغن یا پد هوا خارج می شود و سپس غار به سمت بالا گسترش پیدا می کند.

با استفاده از تکنیک های فوق می توان در سازند هایی مثل نمک لایه ای و نمک گنبدی، غارهایی با قطر 100 متر (330 فوت) یا بیشتر تولید کرد.

هنگامی که غارهای چاه های مجاور بتوانند به هم متصل شوند ، تولید به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. در چنین مواردی یکی از چاه ها به چاه تزریق و دیگری به چاه تولید تبدیل می شود.

در واقع ، وجود یک چاه تزریق در مرکز که توسط چندین چاه تولید احاطه شده است ، معمول و رایج است-معمولاً یک الگوی پنج نقطه ای با چاه تزریقی ای که توسط چهار چاه تولید احاطه شده است. آب نمک به یک کارخانه یا حوضچه خورشیدی پمپ می شود ، در آنجا از طریق فرایند تبخیر متراکم می شود.

Frasch sulfur recovery

بازیابی گوگرد فراش

اگرچه از فرایند فراش برای بازیابی گوگرد از کانسارهای نمک لایه دار و گنبد نمکی استفاده می شود ، اما تنها نوع دوم در اینجا شرح داده شده است. در ردیف سنگ سرطاق که روی گنبد نمکی قرار دارد ، گوگرد را می توان به صورت پراکنده در سنگ آهک متخلخل (پرمنفذ) یا شکسته که بین لایه های نازک ، نفوذ ناپذیر و سنگی قرار گرفته است ، پیدا کرد.

احداث چاه با حفاری یک چاه گمانه در بالای پوش سنگ و قرار دادن یک روکش با قطر 200 تا 250 میلی متر (حدود 8 تا 10 اینچ) شروع می شود. سپس سوراخی از این روکش تا انتهای سازند سنگ آهک-گوگرد حفر می شود و یک لوله 150 میلی متری (6 اینچی) در آن قرار می گیرد.

این لوله در دو سطح سوراخ شده است. در داخل لوله یک لوله دیگر وجود دارد که قطر آن 75 میلی متر (3 اینچ) است و تقریباً تا انتهای سنگ آهک گوگرد دار امتداد دارد. در نهایت ، یک لوله 25 میلی متری (1 اینچی) از سطح داخل لوله 75 میلی متری معلق است.

آب بسیار داغ (حدود 170 درجه سانتی گراد [340 درجه فارنهایت]) به فضای حلقوی بین لوله 150 میلی متری و لوله 75 میلی متری تزریق می شود. این آب از مجموعه سوراخ های فوقانی به داخل سازند متخلخل سرازیر می شود ، که این سازند تا دمایی بالاتر از نقطه ذوب گوگرد (حدود 115 درجه سانتی گراد (240 درجه فارنهایت)) گرم می شود.

گوگرد مایع که سنگین تر از آب است ، به کف سازند فرو می می ریزد ، در آنجا از طریق سوراخ های تحتانی ایجاد شده در لوله 150 میلی متری به لوله 75 میلی متری سرازیر می شود. با تزریق هوای فشرده به لوله 25 میلی متری چگالی آن کاهش می یابد و گوگرد مذاب به سطح منتقل می شود.