Tài nguyên thiên nhiên và tài nguyên năng lượng

ĐỊA CHẤT CƠ SỞ

1 Tài nguyên thiên nhiên

 Nguồn gốc các tụ khoáng

 Tích tụ khoáng sản và kiến tạo mảng

2 Tài nguyên năng lượng

 Năng lượng MT

 Năng lượng hạt nhân

 Nhiên liệu hóa thạch

Hầu hết vật liệu Trái đất được sử dụng

 Kim loại để chế tạo máy

 Cát cuội xây dựng

 Đá vôi và thạch cao cho bê tông

 Sét làm gốm sứ

 Vàng, bạc, đồng và nhôm làm dây dẫn điện

 Kim cương và đá quý làm đồ trang sức

 Tích tụ khoáng sản – tụ khoáng là một thể đá giàu một hay nhiều vật liệu hữu ích cho con người – bất kỳ loại vật chất nào từ Trái đất.

 Một số KS được tìm thấy dưới đất; không phải qua chế biến hay chế biến rất ít (muối, đá quý, cát, cuội).

 Nhiều loại phải chế biến trước khi sử dụng:

Sắt là thành phần cơ bản của nhiều KV, qui trình trích xuất sắt khác nhau cho các KV khác nhau Ít tốn kém nhất là các KV oxid như Hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3O4), hay limonit [Fe(OH)].

Nhôm là nguyên tố phong phú thứ ba trong Vỏ Trái đất, trong các KV tạo đá như feldspars (NaAlSi3O8, KalSi3O8, & CaAl2Si2O8, nhưng chi phí trích xuất nhôm cao) → các tích tụ chứa KV gibbsite [Al(OH)3] thường được tìm kiếm

→ chế biến nhôm cao vì nhôm ở dạng hydroxid chứ không phải oxy hay silic.

Chi phí chiết xuất cao, giá công nhân và giá năng lượng thay đổi từ nước này sang nước khác và theo thời gian.

Hàm lượng càng cao, giá trị kinh tế càng lớn.

 Quặng là tích tụ khoáng vật từ đó có thể trích xuất một hay nhiều hợp chất có giá trị kinh tế

Một tích tụ quặng bao gồm các KV quặng chứa hợp chất có giá trị.

 Lợi nhuận quyết định cấp hay hàm lượng của hợp chất trong tích tụ

 Các hợp chất khác nhau yêu cầu hàm lượng công nghiệp khác nhau

 Hàm lượng thay đổi tùy theo điều kiện kinh tế như nhu cầu và chi phí trích xuất

Td:

 Hàm lượng Cu trong mỏ đồng thay đổi theo lịch sử Từ 1880- 1960 cấp quặng cho thấy giảm dần khoảng từ 3% đến 1%, chủ yếu do hiệu quả khai thác tăng Từ 1960 – 1980 cấp tăng hơn 1% do giá năng lượng tăng và nhân công rẻ hơn.

Vàng thay đổi giá hàng ngày Khi giá vàng cao, các mỏ ngưng khai thác sẽ được khai thác lại Khi giá vàng hạ, đóng cửa mỏ vàng.

 Ở Mỹ giá nhân công cao nên chỉ khai thác một số ít mỏ vàng Nhưng ở các nước đang phát triển giá công nhân rẻ nên các mỏ vàng có hàm lượng thấp hơn so với Mỹ vẫn được khai thác có lãi

 Hàm lượng đạt giá trị công nghiệp sẽ khác nhau đối với các KS khác nhau Hàm lượng đạt giá trị kinh tế được phân chia dựa vào hàm lượng trung bình của khoáng sản đó trong vỏ Trái đất → xác định hệ số tập trung

Vd: Al, có hàm lượng trung bình trong vỏ TĐ là 8%, có hệ số tập trung 3- 5 (mỏ chỉ có giá trị kinh tế khi hàm lượng Al đạt từ 3- 4 lần so với hàm lượng trung bình trong VTĐ) nghĩa là hàm lượng Al khoảng 24-32% khai thác có lãi

Substance Average Crustal

Abundance, % Concentration Factor

Nguồn gốc các tụ khoáng

 Tụ khoáng nội sinh

 Tụ khoáng nhiệt dịch Tập trung do dung dịch giàu nước nóng đi vào qua các khe nứt và lỗ hỗng trong đá

 Tích tụ nhiệt dịch hình thành khi nước dưới đất tuần hoàn xuống sâu và nóng lên do đi đến thể đá núi lửa nóng dưới sâu hay do địa nhiệt dưới sâu Nước nóng có thể hòa tan các vật chất có giá trị kinh tế của các thể đá lớn

 Do nước nóng di chuyển vào nơi nguội hơn của vỏ T

Đ, các vật chất hòa tan ngưng tụ Nếu nguội lạnh nhanh chóng ở trong các khe nứt mở hay gặp nước nguội hơn trên bề mặt, ngưng tụ và hàm lượng cao hơn hàm lượng của đá bị hòa tan

 Các tụ khoáng quặng sulfur ở trung tâm tách giãn đại dương Dung dịch nóng bên trên lò magma ở SNGĐD có thể lấy Sulfur, Cu, Zn từ các đá trên đường đi Khi dung dịch trở lại đáy biển, chúng tiếp xúc với NDĐ nguội hơn và đột ngột hình thành sphalerite (ZnS), chalcopyrite (CuFeS2).

 Tụ khoáng dạng mạch quanh các khối xâm nhập Nước nóng tuần hoàn quanh các khối xâm nhập thải kim loại và silic từ đá vây quanh và khối xâm nhập Khi dung dịch này tiêm nhập vào các khe nứt mở nguội nhanh chóng và hình thành thạch anh và các khoáng vật sulfur hoặc vàng, bạc

 Tụ khoáng trầm tích trong hồ hoặc trầm tích biển:

Khi NDĐ nóng chứa các kim loại quý theo dòng chảy đi vào các trầm tích bở rời đáy hồ hay biển, chúng kết tủa thành các KV quặng trong lỗ hổng giữa các hạt vụn, có hàm lượng cao như galena (PbS), sphalerite và chalcopyrite Vì chúng nằm trong trầm tích nên gọi là tích tụ khoáng sản trầm tích

 Tụ khoáng magma – khoáng sản tập trung trong các thể xâm nhập của quá trình kết tinh phân đoạn và kết tinh Quá trình magma như nóng chảy bộ phận, phân dị kết tinh hay kết tinh trong lò magma có thể tập trung KV quặng có giá trị

Pegmatites – magma tàn dư chứa nhiều silic và khí cùng với các nguyên tố như đất hiếm như Lithium, Tantalum, Niobium, Boron, Beryllium, Gold, và Uranium Các tàn tư này thường tiêm nhập vào khe nứt quanh khối xâm nhập và kết tinh thành đá pegmatit có tinh thể lớn

Phân dị kết tinh: Trong quá trình kết tinh từ magma, các

KV nặng chìm xuống đáy lò magma như chromit, olivin, và Ilmenit chứa nhiều Chromium, Titanium, Platinum, Nickel và Iron Các nguyên tố này chiếm hàm lượng cao hơn trong những lớp nằm ở đáy lò magma

 Tụ khoáng ngoại sinh

 Tụ khoáng trầm tích: vật chất được tập trung do kết tủa hóa học từ hồ hay biển- là các KV chứa các chất có giá trị kết tủa trực tiếp trong nước

 Tích tụ bay hơi: sự bốc hơi của nước hồ hay biển sẽ làm vật chất hòa tan bão hòa kết tủa như muối, thạch cao, borax và sylvite

 Thành hệ sắt: các thành tạo này là chert giàu sắt Một số

KV chứa sắt khác được thành tạo trong bồn ở LĐ trong Proterozoic (cách nay 2 tỉ năm) được xem là các KV bay hơi

 Tụ khoáng sa khoáng – khoáng sản được tập trung do dòng chảy mặt hay dọc bờ biển Khi vận tốc dòng chảy giảm, các KV có kích thước lớn hay có tỉ trọng lớn sẽ lắng đọng Các KV nặng như vàng, kim cương và magnetit có kích thước tương tự như thạch anh (có tỉ trọng nhỏ hơn) sẽ lắng đọng ở vận tốc lớn hơn  KV nặng sẽ tập trung ở những vùng nước chảy có vận tốc thấp → tích tụ sa khoáng.

Cơn sốt vàng ở California năm 1849 bắt đầu khi người ta tìm thấy vàng sa khoáng trong dòng chảy ở núi Sierra Nevada Mountains Vàng gốc được hình thành trong các mạch nhiệt dịch, sau đó bị xâm thực được dòng chảy mang đi hình thành tích tụ sa khoáng

 Tụ khoáng tàn dư – vật chất được tập trung do quá trình phong hóa hóa học

Trong quá trình phong hóa hóa học, các thể đá nguyên thủy bị giảm khối lượng do thấm lọc mang các ion ra khỏi đá gốc

Các nguyên tố thấm lọc từ đá gốc có hàm lượng cao hơn hàm lượng trong tàn tích Quan trọng nhất là Nhôm- Bauxite hình thành trong vùng nhiệt đới nhiệt độ cao, nhiều nước, qua quá trình phong hóa hóa học sẽ hình thành đất giàu sắt và nhôm Các mỏ bauxite có tuổi trẻ vì được hình thành gần mặt đất và dễ dàng bị mang đi do hoạt động xâm thực trong thời gian dài

Tụ khoáng và kiến tạo mảng

 Các tích tụ KS được hình thành ở những môi

trường khác nhau  kiến tạo mảng giữ vai trò quan trọng trong việc xác định môi trường địa chất khác nhau

2 Tài nguyên năng lượng

 Năng lượng TĐ đến từ 2 nguồn:

• Năng lượng Mặt trời: dưới dạng bức xạ điện từ.

• Năng lượng hạt nhân: trong TĐ từ các đồng vị

phóng xạ.

Năng lượng Mặt trời

 Năng lượng lấy trực tiếp từ MT

 Năng lượng MT dùng để làm nóng nước và sưởi ấm- có thể được dùng để sản xuất điện bằng các tế bào quang điện

 Năng lượng gió: Năng lượng MT đốt nóng không khí tạo dòng đối lưu hình thành gió

 Năng lượng nước: MT làm bay hơi các đại dương Dòng đối lưu của không khí làm nước từ nơi cao xuống thấp để sản xuất ra điện

 Năng lượng lấy gián tiếp từ MT

Năng lượng sinh khối: l/q đến việc đốt cháy gỗ và các vật chất hữu cơ khác hình thành từ quá trình quang hợp- quá trình hóa học lấy năng lượng từ MT và lưu trữ năng lượng trong vật liệu cho đến khi bị đốt cháy

Nhiên liệu hóa thạch: Năng lượng sinh khối bị chôn vùi trong lòng đất, con người trích xuất và đốt cháy tạo năng lượng (Dầu, khí, đá phiến chứa dầu, cát chứa dầu, than đá)

Năng lượng hạt nhân

 Năng lượng địa nhiệt: do sự phân hủy phóng xạ sinh nhiệt, làm nhiệt độ gia tăng khi xuống sâu và làm nóng chảy đá manti thành magma Magma mang nhiệt lên trên trong VTĐ Sự tuần hoàn nước dưới đất trong ph ạm vi của khối xâm nhập mang nhiệt trở lại bề mặt

Nếu nguồn nhiệt được giữ lại có thể dùng để sưởi ấm hay được bẫy lại ở dưới sâu trở thành hơi nước chạy máy phát điện

 Năng lượng hạt nhân trực tiếp: Nhiệt từ sự phân hủy đồng vị Uranium được sử dụng để tạo hơi nước Sự giãn nở của hơi nước được dùng để chạy máy sản xuất điện Trước đây được xem là rẻ, sạch và an toàn Nhưng hiện nay chất thải phóng xạ - nỗi lo không an toàn cho con người.

Các nguồn năng lượng cần kiến thức các nhà địa chất, khoa học (Năng lượng gió, năng lượng nước, nhiên liệu hóa thạch, năng lượng địa nhiệt, năng lượng hạt nhân trực tiếp).

 Có nguồn gốc từ năng lượng sinh khối - quá trình quang hợp - là phản ứng kết hợp của nước và CO2 từ

TĐ và khí quyển dưới ánh sáng để hình thành các phân tử hữu cơ → thực vật và oxy.

  Quang hợp là quá trình cơ bản của sự sống

 Để hình thành nhiên liệu hóa thạch, vật chất hữu cơ phải được chôn vùi nhanh chóng  không có sự oxy hóa  các phản ứng h/h xảy ra để chuyển các phân tử hữu cơ thành hydro carbon.

 Dầu khí gồm các hydro carbon khác nhau, quan trọng

Nhiên liệu hóa thạch

n Formula Compound Use

 Sự hình thành dầu khí

 Vật chất hữu cơ (phiêu sinh, vi khuẩn) trầm tích cùng với sét ở đại dương → dầu khí → thường là phiến sét

 Hầu hết dầu khí tích tụ trong các đá thấm như cát kết, đá vôi hay đá có độ nứt nẻ cao → dầu sẽ dịch chuyển (như nước dưới đất) vào các đá có tính thấm tốt hơn

 Phải dồi dào vật chất hữu cơ → bị chôn vùi nhanh chóng

→ các phản ứng h/h xảy ra chậm để biến đổi chất hữu

cơ thành các hydro carbon → trầm tích bị nén ép làm dầu di chuyển đến các tầng thấm tốt hơn

 Dầu phải di chuyển vào bẫy dầu (đá không thấm) để dầu không rò rỉ lên mặt đất

 Các quá trình phải xảy ra trong giới hạn nhiệt độ và áp suất thích hợp, nếu áp suất và nhiệt độ cao (biến chất hay hoạt động magma), dầu sẽ bị phá hủy thành các

 Bẫy dầu

 Vì dầu khí có tỉ trọng nhẹ nên sẽ di chuyển lên gần mặt đất và tích tụ trong các bồn chứa có cấu trúc địa chất có thể giữ dầu – các đá không thấm nằm trên các đá thấm Bẫy dầu được chia ra làm 2 loại tùy theo cấu trúc địa chất:

 Bẫy kiến trúc và bẫy địa tầng Khí tự nhiên sẽ nằm trên dầu, dầu trên nước trong các lỗ hỗng của đá do sự khác biệt về tỉ trọng

• Bẫy kiến trúc

kẽ với đá không thấm như phiến sét hay đá bùn, và các đá bị uốn nếp thành nếp lồi, dầu di trú lên trên vào trong các đá thấm của bồn chứa – bản lề của nếp lồi

Đứt gãy : Nếu đứt gãy đi qua đá thấm và không thấm, đá không thấm sẽ nằm trên và bẫy dầu lại Đứt gãy thuận và nghịch đều có thể hình thành loại bẫy này

Vòm muối- Trong kỷ Jura, vịnh Mexico là một bồn

Do tốc độ bốc hơi lớn → hình thành các lớp muối ở đáy bồn phủ lên trên là trầm tích vụn Nhưng muối có tỉ trọng nhẹ hơn các trầm tích vụn và dẻo hơn → muối di chuyển lên trên tạo thành vòm muối.

Sự xâm nhập của các

vòm muối sẽ làm biến

dạng các tầng trầm tích

ở rìa, uốn nếp tạo bẫy

dầu Do vòm muối nằm

gần mặt đất, các trầm

tích nằm trên vòm muối

thường có dạng vòm,

tạo chỗ cho muối gần

mặt đất và có thể bẫy

• Bẫy địa tầng

nằm trên bất chỉnh hợp là các đá không thấm và đá thấm xen kẽ nhau trong địa tầng đơn nghiêng dưới bề mặt bất chỉnh hợp Khó xác định bẫy loại này vì bề mặt bất chỉnh hợp thường không lộ ra

Thấu kính- các lớp cát kết ở dạng thấu kính Nếu các đá quanh thấu kính là đá không thấm và bị biến dạng tạo đơn nghiêng, dầu khí có thể di trú vào thân cát và bị giữ lại trong đá không thấm Khó xác định trên mặt đất

 Sự phân bố dầu khí

 Đa số dầu khí được hình thành có tuổi Tân sinh, ít hơn là Trung sinh và Cổ sinh.

 Đá phiến chứa dầu và tar sand:

 Đá phiến chứa dầu là phiến sét chứa nhiều vật chất hữu cơ chưa bị phân hủy hoàn toàn để hình thành dầu khí → dầu chỉ được trích xuất ở nhiệt độ cao → không hiệu quả kinh tế hiện nay, nhưng có thể là nguồn dự trữ tương lai khi dầu khí trở nên cạn kiệt

 Tar Sands là cát kết chứa dầu có độ nhớt cao trong cát lỗ hổng Trích xuất dầu khó vì cần nhiệt độ cao → không hiệu quả kinh tế

 Than

 Có thể là đá trầm tích hoặc biến chất ở đầm lầy.

 Thực vật dồi dào → chết đi → than bùn → bị chôn vùi nén ép mất nước và thải khí methan → than nâu (lignite) → áp suất và nhiệt độ → than hữu cơ

→ tiếp tục bị biến chất → than đá.

 Nếu nhiệt độ và áp suất quá cao → tất cả C biến thành than chì → than chì chỉ cháy ở nhiệt độ cao

→ không hữu ích.

 Than anthracite cung cấp nhiều nhiệt khi đốt