مس در طبيعت

[محسن آزماینده]

مس در طبيعت:
مس در طبيعت به صورت مس خالص، سولفيدي يا اکسيدي موجود است که بيشتر به حالت کاني‌هاي سولفيدي چون کالکوپيريت، بورنيت و کالکوزيت يافت مي‌شود. مس طبيعي در حالت آزاد به‌صورت توده‌هاي بزرگ يا به شکل ذرات پراکنده در سنگ‌هاي آذرين در قشر زمين بوجود آمده است. در واقع اين نوع مس در طبيعت زياد نيست و فقط در بعضي نقاط دنيا مانند نواحي درياچه‌ي «سوپريور» در ايالات متحده‌ي آمريکا، در کشور بوليوي، چين، شيلي و ايران ديده شده‌ است.
عيار چنين مسي اگر به‌صورت توده‌اي باشد، بيش از 92% و اگر به‌صورت ذرات پراکنده باشد در حدود 1.5-1% مي باشد.
مس در طبيعت:
مس در طبيعت به صورت مس خالص، سولفيدي يا اکسيدي موجود است که بيشتر به حالت کاني‌هاي سولفيدي چون کالکوپيريت، بورنيت و کالکوزيت يافت مي‌شود. مقدار درصد مس شامل 0.5% مس در معادن روباز تا 1-2% در معادن زيرزميني است (فرجي، 1371).
مس طبيعي در حالت آزاد به‌صورت توده‌هاي بزرگ يا به شکل ذرات پراکنده در سنگ‌هاي آذرين در قشر زمين بوجود آمده است. در واقع اين نوع مس در طبيعت زياد نيست و فقط در بعضي نقاط دنيا مانند نواحي درياچه‌ي «سوپريور» در ايالات متحده‌ي آمريکا، در کشور بوليوي، چين، شيلي و ايران ديده شده‌ است.
عيار چنين مسي اگر به‌صورت توده‌اي باشد، بيش از 92% و اگر به‌صورت ذرات پراکنده باشد در حدود 1.5-1% مي باشد.
کانه‌هاي اکسيدي مس بيشتر در قشري از زمين که نزديک به سطح است، پيدا مي شود و در اثر تغييرات جوي و واکنش‌هاي آرام شيميايي که در رگه‌هاي سولفيدي کانه‌دار مس صورت مي‌گيرد، بوجود مي‌آيند. از طرف ديگر آب‌هاي طبيعي که حاوي CO2 مي باشد، بر روي کانه‌هاي سولفيدي اثر کرده و بتدريج آن‌ها را به کربنات، اکسيد، سولفات و گاهي اوقات آن‌ها را به سيليکات مس تبديل مي‌کند. کانه‌هاي سولفيدي مس که مهم‌ترين ماده‌ي اصلي مس را تشکيل مي‌دهند، در حدود 95% از محصولات مس دنيا را شامل مي‌شوند.
بيشترين تجمعات كاني‌‌زايي مس جهان، در ميشيگان و آريزوناي آمريكا، آلمان، روسيه و استراليا ديده مي‌شود (mineral.galleries.com).
كاني‌زايي آزوريت و مالاكيت آثار كاني‌زايي مالاكيت
خصوصيات كانسارهاي فلزي:
كانسارهاي فلزي گسترش وسيع و شكل متنوعي دارند. اين كانسارها در مقايسه با لايه‌هاي زغال، سخت‌ترند، بنابراين براي حفر اين قبيل موادمعدني، بايستي از روش آتشباري استفاده كرد.
كانسارهاي فلزي به اشكال مختلف ديده مي‌شوند. برخي از آن‌ها لايه‌اي شكلند مانند بعضي از معادن آهن. يكي از عمومي‌ترين اشكال كانسارهاي فلزي حالت رگه‌اي است. در چنين حالاتي، ماده‌ي معدني به‌صورت يك رگه در داخل شكستگي و شكاف سنگ‌هاي درون‌گير را پر مي‌كند. ضخامت رگه معمولاً ثابت نيست و در قسمت‌هاي مختلف آن تغيير مي‌كند.
گاهي از اوقات، ماده‌ي معدني منشا ماگمايي دارد و به‌صورت توده‌اي تجمع مي‌يابد. مواد فلزي را به شكل‌هاي ديگر نيز مي‌توان مشاهده كرد.
يكي از خصوصيات كانسارهاي فلزي اين است كه برخلاف كانسارهاي رسوبي، سنگ درون‌گير ماده‌ي معدني دقيقاً مشخص نيست، يعني تغييرات عيار ما در سنگ‌هاي ناحيه تدريجي است و به‌عبارت ديگر، سنگ درون‌گير، بتدريج به ماده‌ي معدني تبديل مي‌شود. در چنين حالاتي، بايستي حدود ماده‌ي معدني را با اندازه‌گيري‌ مرتب عيار آن در سنگ‌ها، تعيين كرد (مدني، 1366
كانه‌هاي مس:
مس در ساختمان بلورين 250 كاني مي‌نشيند ولي تنها شماري اندك از آن‌ها از نقطه‌نظر اقتصادي اهميت دارند. از اين ميان، شماري از كاني‌ها كه فراوان‌ترين كانه‌‌هاي اصلي مس مي‌باشند، از اهميت ويژه برخوردارند. همانند: كالكوپيريت CuFeS2، كالكوسيت Cu2S، كوولين CuS، بورنيت Cu5FeS4، مس طبيعي Native Copper، مالاكيت Cu2(CO3)(OH)2 و آزوريت Cu3(CO3)2(OH)2.
برخي ديگر از كاني‌هاي مس گرچه فراوانند ولي به صورت كانه يا عنصر جنبي در فرآوري و استخراج بدست مي‌آيند. همانند تترائدريت Cu12Sb4S13، آنارژيت Cu3AsS4 و بورنونيت CuPbSbS3.
در فرآيند پيدايش، اكسيداسيون و انباشتگي دوباره‌ي مس كاني‌هاي مس نظم خاصي مي‌گيرند. به‌گونه‌اي كه وجود يك كاني مي‌تواند مبين وقوع يكي از پديده‌ها در زون خاص باشد. كاني‌هاي زون هيپوژن شامل: كالكوپيريت، بورنيت، تترائدريت، بورنونيت، بورونيت و انارژيت بوده كه عوامل دروني، فشار و دما سبب پيدايش آن‌ها مي‌شود. كانه‌هاي زون سوپرژن از محلول‌هاي حاصل از شستشوي كانه‌هاي هيپوژن بدست مي‌آيند. اين كاني‌ها عبارتند از كالكوسيت، كووليت و بورنيت. كانه‌هاي زون اكسيدي بر اثر اكسيداسيون كاني‌هاي زون هيپوژن و زون سوپرژن به وجود مي‌آيند. اين كاني‌ها عبارتند از مالاكيت، آزوريت، كوپريت، تنوريت، مس طبيعي و كريزوكولا.
لازم به‌ذكر است بعضي از كاني‌ها هم مي‌توانند به زون هيپوژن و هم به زون سوپرژن متعلق باشند مثل كالكوسيت و بورنيت (خوئي و همكاران، 1378).

فراوان‌ترين كانه‌‌هاي اصلي مس

تصوير شماتيك از چگونگي بوجودآمدن ذخاير مس پورفيري
انواع ذخاير مس:
1- ذخاير مس پورفيري:
اين ذخاير، كانسارهاي استوك‌ورك تا افشان بزرگ و عيار پايين مس هستند كه ممكن است دربردارنده‌ي مقادير ناچيز اما قابل بازيافت موليبدن، طلا و نقره نيز باشند. اين ذخاير معمولاً كانسارهاي مس - موليبدن- يا مس - طلا هستند. ارزش اين كانسارهاي تابعي از روش‌هاي معدنكاري حجيم، اعم از روباز و يا درصورت زيرزميني بودن، استخراج بلوكي است. بيشتر اين كانسارها داراي 0.4 تا 1% مس و تناژي تا 1000 ميليون تن هستند.
عيار و تناژ يك ذخيره، مقدار كل فلز ذخيره را مشخص مي‌كند، اما افت پياپي قيمت مس سبب شده تا در سال‌هاي اخير به عيار اهميت بيشتري داده‌ شود.
استخراج انتخابي در اين معادن، امري ناممكن است و سنگ ميزبان، استوك‌ورك و افشان بايد يك‌جا استخراج شود و از اين راه برخي از بزرگ‌ترين حفره‌هاي ساخت بشر در پوسته‌ي زمين ايجاد شده است. يك كانسار نمونه‌ي مس پورفيري، توده‌ي نفوذي مركب، استوانه‌اي و استوك‌مانندي است كه رخنموني كشيده يا نامنظم با ابعادي در حدود 2×1.5 كيلومتر دارد و اغلب، سنگ‌هايي متوسط‌دانه با بافتي همسان‌دانه آن را دربرمي‌گيرد. بخش مركزي توده‌ي نفوذي كه بخش پورفيري آن است، داراي بافت پورفيري است كه به يك دوره‌ي سردشدگي سريع اشاره دارد و منجر به تشكيل زمينه‌ي ريزدانه در سنگ مي‌شود (مر و همكاران، 1379).
ذخاير سولفيدي مس:
بيشتر اين نهشته‌ها در محيط‌هاي دريايي يا دلتايي غيرآتشفشاني يافت مي‌شوند. اين نهشته‌ها، از نظر زماني و مكاني پراكندگي گسترده از پروتروزوئيك تا ترشياري دارند و تناژ آن‌ها مي‌تواند از چندصد ميليون تن تا مقادير نيمه اقتصادي متغير باشد. به‌طور كلي از نظر شكل، عدسي‌مانند تا چينه‌سان بوده و درازا در آن‌ها دست‌كم ده برابر پهناست. در بيشتر موارد، بيش از يك لايه‌ي ماده‌ي معدني وجود دارد.
عيار بيشتر كانسارهاي بهره‌برداري شده يا در دست بهره‌برداري از 1.18 تا 5% مس تغيير مي‌كند. اما كانسارهايي با عيار كمتر، پشتوانه اي معتبر هستند. تناژ نيز مي‌تواند بسيار زياد باشد.
بيشتر كانسارهاي اصلي در شيل‌هاي آهكي احياشده‌ي پيريتي سرشار از مواد آلي، يا هم‌ارز دگرگوني آنها يافت مي‌شوند، اما تقريباً 3/1 باقي‌مانده‌ي آن‌ها در ماسه‌سنگ‌هاست. اين سنگ‌هاي ميزبان، در رسوب‌هاي بي‌اكسيژن‌پاراليك دريايي (يا رسوب‌هاي درياچه‌اي شور بزرگ‌مقياس) يافت مي‌شود كه بلافاصله بر روي رسوب‌هاي تخريبي قاره‌اي سرخ و اكسيدشده، واقع است. اين‌گونه‌ نهشته‌ها در توالي‌هاي سنگي، پس از نخستين پيدايش لايه‌هاي سرخ (2400 ميليون سال) قرار دارند و سن آن‌ها تا امروز مي‌رسد. مهم‌ترين و فراوان‌ترين نهشته‌ها در سنگ‌هاي پروتروزوئيك بالايي و پالئوزوئيك بالايي قرار دارد كه در نواحي خشك و نيمه‌خشك محيط‌هاي كافتي قاره‌اي، حداكثر داراي عرض‌هاي 20 تا 30 از ديرينه‌استوا تشكيل شده‌اند. در بسياري مناطق، اين سنگ‌ها داراي ميان‌لايه‌هايي از سنگ‌هاي تبخيري است. در مرز اكسايش – كاهش، توالي بالارونده‌ي كاني‌ها در منطقه‌ي مينراليزه، شامل همه‌ي كاني‌هاي زير يا برخي از آن‌هاست:
هماتيت، مس آزاد، كالكوسيت، بورنيت،‌ كالكوپيريت، گالن، اسفالريت و پيريت(مر و همكاران، 1379).

نمايي از وضعيت ذخاير مس سولفيدي


نمونه‌اي از يك ذخيره‌ي Stratabound
3- ذخاير Stratabound:
اين ذخاير، توليدكننده‌هاي اصلي سرب و روي و گاه فلوريت و باريت هستند. در برخي ميدان‌هاي معدني، به‌ويژه نواحي معدني ايرلند مركزي، مس داراي اهميت است.
از نظر عيار در تعدادي از معادن جهان، نقره و مس و همين‌طور كادميم و ژرمانيم، فرآورده‌هاي جنبي مهمي به‌شمار مي‌روند.
فلزاتي كه در نهشته‌هاي تيپ ماسه‌سنگي به مقدار قابل توجه وجود دارند عبارت‌اند از: اورانيوم، واناديم، مس، نقره، سلنيم و موليبدن. يك ذخيره ممكن است دربردارنده‌ي يك يا شماري بيشتر از اين فلزها به هر نسبتي باشد، البته به‌جز واناديم و مس كه معمولاً استثناء هستند. مقدار اورانيم، واناديم و مس به‌گونه‌اي شگفت‌آور در يك ذخيره و نيز ميان ذخاير مختلف متغير است و ميزان نوسان عيار برخي كان‌تن‌ها ارايه‌ي يك عدد ميانگين كلي را ناممكن مي‌سازد (مر و همكاران، 1379).
پي‌جويي و اكتشاف ماده‌ي معدني:
از نقطه‌نظر عملياتي كه سبب مي‌شود يك كانسار به صورت معدن درآيد، مي‌توان دو مرحله‌ي مختلف پي‌جويي يا اكتشاف ناحيه‌اي و اكتشاف منطقه‌اي را از يكديگر متمايز كرد. هدف از عمليات پي‌جويي آن است كه با توجه به معيارها و نشانه‌هاي مختلف و با استفاده از روش‌هاي پي‌جويي موقعيت كانسار و وضعيت عمومي آن مشخص شود.
پس از اينكه در نتيجه‌ي فعاليت‌هاي مرحله‌ي پي‌جويي، مناطق اميدبخش ناحيه مشخص گرديد،‌ عمليات اكتشاف منطقه‌اي آغاز مي‌گردد. اين عمليات در منطقه‌اي كه در مقايسه با نواحي مورد پي‌جويي كوچك است،‌ متمركز مي‌شود و بدين ترتيب،‌ انتخاب مركز عمليات آسان‌تر مي‌گردد.
هدف از اكتشاف منطقه‌اي آن است كه اطلاعات كاملي درباره‌ي شكل‌، ابعاد،‌ كيفيت، ذخيره و مشخصات فني منطقه و وضعيت اجتماعي و به‌طور كلي هر اطلاعاتي كه براي منطقه لازم است،‌ فراهم گردد. اين اطلاعات بايد به‌ اندازه‌اي روشن و كامل باشد كه طراحان بتوانند حتي بدون رويت مستقيم منطقه،‌ طرح معدن را تهيه كنند. توجه به وضعيت اجتماعي منطقه و نواحي اطراف آن، مسئله‌ي تامين نيروي انساني آينده‌ي معدن را ساده‌تر مي‌كند.
يكي از نكات مهمي كه بايستي در اين مرحله تعيين شود، عمق اكتشاف است. به عبارت ديگر، بايستي مشخص كرد كه عمليات اكتشافي تا چه عمقي بايد صورت گيرد و به مسائل متعددي از قبيل مشخصات ماده‌ي معدني، ارزش اقتصادي آن، فن معدن‌كاري، نياز به ماده‌ي معدني و مسائل نظير آن بستگي دارد (مدني، 1366).

نمونه‌برداري در مرحله‌ي پي‌جويي و اكتشاف ماده‌ي معدني


نمايي از دستگاه‌هاي حفاري اكتشافي
در واقع هدف از اكتشاف منطقه‌اي،‌ بررسي و شناسايي مسائلي است كه براي تعيين مشخصات صنعتي يك كانسار لازم است. اولين هدف، تعيين مشخصات كمي و كيفي توده‌ي معدني و شناسايي شرايط طبيعي و اقتصادي و نحوه‌ي پيدايش آن است. مشخصات كمي كانسار، با داشتن حجم آن تعيين مي‌شود و بنابراين در اين قسمت، بايستي شكل و ابعاد آن را مشخص كرد.
براي تعيين مشخصات كيفي، نه تنها بايستي تركيب شيميايي و كاني‌شناسي توده را در نظر گرفت، بلكه بايستي خواص تكنولوژيكي و عيار آن را نيز مشخص كرد. در واقع مشخصات كيفي و كمي كانسار بايستي در ارتباط با هم مورد مطالعه قرار گيرند.
ضمن اكتشاف منطقه‌اي بايد مسائل متعددي نظير پديده‌هاي زمين‌شناسي، معدني و اقتصادي را درنظر گرفت. مشخصات يك توده‌ي معدني در مقياس وسيعي تغيير مي‌كند و به‌خصوص اين تغيير در مشخصاتي نظير عيار و شكل بيشتر مشهود است. به‌عنوان مثال، در كانسارهاي لايه‌اي تغييرات شديد كمتر ديده مي‌شود و حال آنكه در دودكش‌هاي آتشفشاني، كانسارهاي شاخه‌اي شكل و مناطق رگه‌هاي مركب، غالباً تغييرات زيادي به چشم مي‌خورد. مشخصات كيفي نيز عموماً متغير است و بعضي اوقات به‌طور ناگهاني از نقطه‌اي به نقطه‌ي ديگر تغيير مي‌كند و اين امر در كانسار فلزات كمياب و گرانبها بيشتر ديده ‌مي‌شود. به‌‌طور كلي تمام روش‌هاي اكتشافي بر مبناي تعيين اين نوع تغييرات استوار است. بدين ترتيب، وظيفه‌ي اصلي متخصصين اكتشاف‌، مطالعه‌ي آن دسته از فرآيندهاي زمين‌شناسي است كه در كيفيت، شكل،‌ فرم و پيدايش كاني موثر است (مدني، 1366).
پي‌جويي و اكتشاف مس:
در پي‌جويي ذخاير معدني مس از تكنيك‌ها و تئوري‌هاي زمين‌شناسي و ژئوفيزيكي فراواني استفاده مي‌شود. كاربرد قوائد زمين‌شناسي در درجه‌ي نخست اهميت قرار دارد چرا كه هر كار اكتشافي در آغاز بر درك و تجزيه و تحليل صحيح پيدايش ماده‌ي معدني و گزينش ناحيه‌ي مناسب اكتشاف استوار است ذخاير بزرگ رسوبي و پورفيري با داشتن زون‌هاي گسترده‌ي دگرساني و با توجه به رنگ كاني‌ها و پديده‌هاي نمادين كانسار با داده پردازهاي ماهواره‌اي به آساني قابل دسترسي است ولي در صورت پوشيده بودن كانسار در زير توده‌هاي بي‌بار گزينش استراتژي اكتشافي براي رسيدن به آن الزامي است. بنابراين اكتشاف بايد برپايه‌ي نظريات زمين‌شناسي، ژئوفيزيكي، ژئوشيميايي و نمونه‌گيري سه بعدي از طريق حفاري باشد (خوئي و همكاران، 1378).
به‌طور معمول در اكتشاف كانسارهاي مس با توجه به تيپ كاني‌سازي مي‌توان از داده‌هاي ژئوفيزيكي هوايي استفاده نمود. براي مثال، كانسارهاي نوع ماسيوسولفيد را مي‌توان مستقيماً با روند الكترو مغناطيس (EM) مشخص نمود. در اين حالت محدوده‌ي كاني‌سازي را به‌صورت يك توده‌ي كاملاً رسانا در نقشه‌ي مقاومت ويژه مي‌توان مشاهده نمود.
براي ساير انواع كاني‌سازي مس مانند نوع پورفيري، اسكارن، رگه‌اي كه به نوعي مرتبط با توده‌هاي نفوذي و عوامل ساختاري گسل‌ها يا كنتاكت لايه‌ها مي‌باشند، توده‌ي معدني را به‌طور مستقيم نمي‌توان مشخص نمود، بلكه با استفاده از داده‌هاي ژئوفيزيك هوايي محل توده‌هاي نفوذي و گسل‌هاي عبوري‌ از نزديكي و يا مرتبط با آن‌ها و نيز نواحي آلتراسيون تعيين گشته و براساس آن‌ها نواحي جهت پي‌جويي معرفي مي‌گردند. در حقيقت در اين حالت از ژئوفيزيك به‌طور غيرمستقيم براي پي‌جويي و يافتن ذخاير مس استفاده مي‌شود (گفتگوي شفاهي با آقاي حسن خيرالهي، كارشناس بخش ژئوفيزيك هوايي سازمان زمين‌شناسي و اكتشافات معدني كشور، اسفند 1383).

[vahid5835]

تاریخ استفاده از مس به هشت هزار سال قبل از میلاد باز می‌شود و تاریخ اولین ذوب مس مربوط به حدود هشت هزار سال قبل است. در ایران قدیمی‌ترین اشیای کشف شده مسی مربوط به پنج هزار سال قبل از میلاد مسیح است. تپه زاغه، تپه سیلک و تل ابلیس از قدیمی‌ترین مناطقی هستند که ایرانیان برای نخستین‌بار در این محل‌ها از فلز مس استفاده کرده‌اند.
مس جزو معدود فلزاتی است که به‌صورت آزاد هم در طبیعت پیدا می‌شود و دارای قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، ماشین‌کاری و شکل‌پذیری بسیار خوبی است و به همین دلیل در صنعت امروز جهان به‌عنوان یک فلز اساسی مطرح شده است. مس در دمای 1083 درجه سانتیگراد ذوب و در دمای 2300 به غلیان در می‌آید. آلیاژهای مس با روی، قلع، آلومینیوم و ... دارای خواص مکانیکی خیلی بالاتری نسبت به مس خالص هستند و بنابراین کاربرد وسیعی در صنعت امروزی پیدا کرده‌اند. آلیاژ مس و روی را برنج و آلیاژ مس و قلع را مفرغ یا برنز می‌نامند. آلیاژ مس با آلومینیوم دارای کاربردهای زیادی در صنعت است. مس همچنین با سایر فلزات مانند سیلیسیم، بریلیوم، سرب و نیکل آلیاژهای مختلفی را تشکیل می‌دهد که کاربردهای مختلفی در صنایع دارد. کانی مس در طبیعت به سه صورت یافت می‌شود که برحسب اهمیت فراوانی به ترتیب عبارتند از سولفید، کربنات و سیلیکات. همچنین مس گاهی در طبیعت به‌صورت آزاد (مس طبیعی) نیز یافت می‌شود.
سنگ‌های اکسیدی که عمدتاً در سطح پیوسته زمین قرار دارند، عموماً سنگ‌های سولفوره‌ای هستند که در اثر تغییرات آب و هوا و همچنین فعل و انفعالات شیمیایی که در طبیعت صورت می‌گیرد به مرور زمان به سنگ‌های اکسیده تبدیل می‌شوند.