Tài nguyên khoáng sản và môi trường

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM
Khoa Môi Trường


ĐỊA CHẤT MÔI TRƯỜNG
Chủ đề: Tài nguyên khoáng sản và
Môi trường

GVPT:Th.S Nguyễn Ngọc Tuyến
Th.S Hoàng Thị Phương Chi




MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:
Xã hội hiện đại của chúng ta hoàn toàn phụ thuộc vào sự sẵn có tài

nguyên khoáng sản. Khi dân số thế giới gia tăng, chúng ta đối mặt với một
sự khủng hoảng tài nguyên hơn bao giờ hết. Điều này gây lo sợ rằng Trái
Đất có thể chạm đến khả năng chứa của nó để làm giảm những ảnh hưởng
môi trường liên quan đến khai thác, sản xuất và sử dụng khoáng sản. Trong
chương này, chúng ta sẽ tập trung vào những mục tiêu nghiên cứu sau đây:


Hiểu được mối quan hệ giữa dân số và việc sử dụng tài nguyên.



Giải thích được tại sao khoáng sản quan trọng đối với xã hội
hiện đại.



Phân biệt được sự khác nhau giữa tài nguyên và trữ lượng và tại
sao sự khác biệt ấy là quan trọng.



Hiểu biết những yếu tố quyết định sự sẵn có của tài nguyên
khoáng sản.



Hiểu được tác động môi trường lên sự phát triển của khoáng
sản.



Biết những ích lợi tiềm năng mà ngành công nghệ sinh học đưa
ra giải pháp làm sạch môi trường kết hợp với sự khai thác và sản
xuất khoáng sản.



Hiểu được vai trò của tài nguyên khoáng sản tái tạo về mặt kinh
tế và môi trường.



Giải thích được mối liên hệ giữa sự bền vững và sự tiêu dùng

khoáng sản.

Page 1




TRƯỜNG HỢP LỊCH SỬ: MỘT MỎ KHOÁNG GẦN
THÀNH PHỐ GOLDEN, COLORADO, NAY ĐƯỢC
CHUYỂN THÀNH MỘT SÂN GOLF.
Một sân golf được trao giải thưởng – mỏ khai thác đá vôi lộ thiên

(open-pit mine) gần thành phố Golden, Colorado đã tồn tại khoảng 100 năm.
Mỏ này sản xuất ra sét từ những tầng nằm giữa những khối đá vôi (limestone
beds) để tạo ra gạch. Những viên gạch này được sử dụng như vật liệu xây
dựng cho những tòa nhà, chung cư ở khu vực Denver, bao gồm biệt thự
thống đốc Colorado. Nơi khai thác mỏ bao gồm nhiều hố xấu xí với những
bức tường vôi thẳng đứng và một thửa đất dùng cho sự thải bỏ chất thải.
Khu vực này có nhiều cảnh quan ngoạn mục dưới chân núi và núi Rocky.
Ngày nay, những vách đá vôi (limestone cliffs) đã bị mất, những hóa thạch
khủng long và thực vật bị lộ ra do hoạt động khai thác, mỏ đã chuyển thành
sân golf xanh và những đường lăn bóng (fairways). Tên của sân golf này là
“Dấu vết hóa thạch” (Fossil Trace), phản ánh dấu vết địa chất của nó. Những
con đường mòn (trails) dẫn đến những vị trí tốt nhất để nhìn thấy hóa thạch
– một điểm cộng thu hút du lịch. Nhiều đầm lầy (wetlands) được tạo thành
và ba hồ trữ nước lũ, giúp bảo vệ Golden khỏi những đợt lũ quét (flash
floods). Dự án cải tạo đất đã bắt đầu thực hiện với kế hoạch sân golf cộng
đồng. Sự cải tạo mỏ khoáng nói lên rằng những mỏ trước đây có thể tái tạo
lại và trở thành tài sản có giá trị.
Câu lạc bộ Golf Fossil Trace là một trường hợp độc nhất của sự cải

tạo mỏ khoáng. Tuy nhiên, mỗi khu vực tiềm năng phục vụ lưu trữ lại yêu
cầu nhiều cơ hội dựa trên những điều kiện về vật lý, thủy văn và sinh học.

Page 2


Chương này thảo luận về nguồn gốc của kinh tế địa chất mỏ khoáng
(mineral deposits), hậu quả ảnh hưởng đến môi trường của sự phát triển và
tiêu dùng bền vững khoáng sản.

15.1. KHOÁNG SẢN VÀ VIỆC SỬ DỤNG CỦA CON
NGƯỜI:
Xã hội của chúng ta phụ thuộc vào sự sẵn có của nguồn tài nguyên
khoáng sản. Cụ thể là, xem xét điểm tâm của bạn vào buổi sáng này. Bạn
chắc chắn đã uống nước từ một chiếc cốc cơ bản làm từ cát thạch anh
(quartz-sand); ăn thức ăn bằng đĩa làm từ đất sét; nếm thức ăn với muối đào
trong Trái Đất; ăn trái cây được trồng bằng phân bón như Kalicacbonat
(potassium carbonate-potash) và phân lân (phosphorus); và sử dụng những
dụng cụ làm bằng thép không gỉ, kết quả của quá trình khai thác quặng sắt
(iron ore) và những khoáng vật khác. Nếu bạn đọc một cuốn tạp chí hay tờ
báo trong khi ăn, tờ giấy của tạp chí hay báo đó đã được làm từ việc sử dụng
dụng cụ làm đầy đất sét. Nếu điện thoại reng và bạn trả lời, nghĩa là bạn đã
sử dụng hơn 40 loại khoáng vật với chiếc điện thoại đó. Bạn nghe nhạc trên
iPod trong khi ăn hay đặt những cuộc hẹn trong ngày với chiếc Blackberry
của bạn. Những thiết bị điện tử này đều làm từ kim loại và sản phẩm dầu khí
(petroleum). Khi bạn đến trường hay đi làm, bạn mở máy tính hoặc những
thiết bị khác thì những thứ ấy được làm từ một số lượng lớn khoáng vật.
(Xem hình 15.1)
Khoáng sản (minerals) là cực kỳ quan trọng đối với con người; mọi
vật đều bình đẳng, chất lượng sống tăng lên cùng với sự sẵn có của khoáng

sản trong những dạng hữu dụng. Xa hơn nữa, sự có sẵn của tài nguyên
khoáng sản là một thước đo độ giàu có của xã hội. Tầng lớp thượng lưu đã
Page 3


từng thành công trong quá trình định vị, khai thác, hay nhập khẩu và việc sử
dùng khoáng sản đang tăng và trở nên thịnh vượng. Nếu không có nguồn
khoáng sản, nền văn minh công nghệ hiện đại mà chúng ta biết sẽ không thể
xảy ra.
Khoáng sản (minerals) là phần quan trọng của nền kinh tế Mỹ. Những
khía cạnh được chọn lọc chứng minh vai trò của khoáng sản phi nhiên liệu
(nonfuel minerals) vào năm 2009 kinh tế Mỹ là:
 Giá trị của khoáng sản nội địa được sản xuất từ quá trình khai thác mỏ
là khoảng $57.1 tỷ.
 Vật liệu khoáng sản gia công trong nước có trị giá là $454 tỷ, chiếm
khoảng 3% GDP của Mỹ ($14200 tỷ năm 2009).
 Giá trị của sản phẩm làm từ khoáng vật và kim loại thu hồi trong nước
là $9.3 tỷ, chiếm khoảng 16% giá trị khoáng sản trong nước từ khai
thác mỏ - một sự đóng góp đáng kể.
 Giá trị thêm vào bởi những ngành công nghiệp chính như xây dựng và
sản xuất hàng hóa bền (những hàng hóa không được tiêu thụ ngay
nhưng bị mòn theo thời gian), sử dụng từ chất liệu khoáng là $1,900
tỷ, chiếm 13% GDP.

Page 4


Hình 15.1 Các vật dụng xung quanh chúng ta đều được làm từ các
khoáng vật.
1. Máy tính – vàng, silic, niken, nhôm, kẽm, sắt, dầu mỏ và khoảng 30

khoáng vật khác.
2. Bút chì – gaphite và đất sét.
3. Điện thoại – đồng, vàng, các nguyên liệu từ dầu mỏ.
4. Sách – đá vôi và đất sét.
5. Bút mực – đá vôi, mica, các nguyên liệu từ dầu mỏ, đất sét, silic, tan
(talc - 1 khoáng vật Magie hydrat silicat).
6. Blackberry – vàng, niken, silic, kẽm, các nguyên liệu từ dầu mỏ.
7. Máy chụp ảnh – silic, kẽm, đồng, nhôm, các nguyên liệu từ dầu mỏ.
Page 5


8. Ghế - nhôm, các nguyên liệu từ dầu mỏ.
9. Tivi – nhôm, đồng, sắt, niken, silic, kim loại hiếm (rare earth) và
stronti.
10.Máy radio – vàng, sắt, niken, beri, các nguyên liệu từ dầu mỏ.
11. Đĩa DVD – nhôm, các nguyên liệu từ dầu mỏ.
12.Tủ - sắt và niken. Nút xoay làm từ đồng và kẽm.
13.Thảm – đá vôi, các nguyên liệu từ dầu mỏ, selen.
14.Tường – sét thạch cao, vermiculite (hợp chất magiê nhôm khoáng
silicat ngậm nước), CaCO3, mica.
Khoáng sản được xem là tài nguyên không tái tạo từ quá khứ địa chất.
Mặc dù những mỏ khoáng mới (deposits) đang hình thành từ quá trình thành
tạo trên Trái Đất hiện nay, những quá trình này diễn ra rất chậm để có thể
đáp ứng cho nhu cầu chúng ta ngày nay. Những mỏ khoáng có xu hướng
nằm ẩn sâu trong những khu vực nhỏ. Vì vậy chúng phải được tìm ra nhưng
không may rằng, đa số những mỏ khoáng dễ tìm thì đã được khai thác rồi.
Giả sử nền văn minh của chúng ta với sự phát triển khoa học công nghệ mà
bị biến mất thì nền văn minh tương lai sẽ phải trải qua một thời gian dài vất
vả để tìm ra khoáng sản hơn là tổ tiên ta đã làm. Không giống với nguồn tài
nguyên sinh học – là một tài nguyên tái tạo, khoáng vật được tiêu thụ và

không thể giải quyết được với giả thuyết rằng quá trình địa chất của Trái Đất
sẽ thay thế nguồn tài nguyên đó trong một khoảng thời gian hữu ích. Quá
trình tái sử dụng và bảo tồn sẽ giúp kéo dài thời gian tồn tại của tài nguyên
khoáng sản của chúng ta, nhưng cuối cùng thì sự cung cấp cũng sẽ bị cạn
kiệt.

Page 6




TÀI NGUYÊN VÀ TRỮ LƯỢNG:
Tài nguyên khoáng sản (Mineral resources) có thể định nghĩa một cách

tổng quát là những nguyên tố, phân tử, khoáng vật hay các loại đá tập trung
trong một hình dạng mà có thể bị tách ra để thu được một hàng hóa sử dụng
được.
Từ góc nhìn thực tế, định nghĩa này không thỏa mãn giới chuyên môn
vì một tài nguyên thường không bị tách ra trừ phi sự tách chiết có thể hoàn
thành ở một mức lợi nhuận. Một định nghĩa thực dụng hơn rằng tài nguyên
khoáng sản là tập hợp của một chất liệu tự nhiên như rắn, lỏng, khí trong hay
trên vỏ Trái Đất trong hình dạng có thể bị tách ra bây giờ hay tiềm năng ở
một lợi nhuận. Trữ lượng (reserve) là một phần của tài nguyên được nhận
dạng và hiện tại có thể khai thác một cách hợp pháp thu lợi nhuận. Vì vậy,
sự khác biệt giữa tài nguyên (resource) và trữ lượng (reserve) là dựa trên các
yếu tố về địa chất, kinh tế hiện tại và mang tính hợp pháp. Xem bảng 15.2.

Bảng 15.2: Sự phân loại các dạng tài nguyên khoáng sản được thực hiện
bởi Cuộc khảo sát địa chất và văn phòng nghiên cứu khoáng sản ở Mỹ
(Sau khi ban hành thông tư 831 về Khảo sát Địa chất Ở Mỹ)

Page 7


Đã phát hiện

Chưa phát hiện
Vùng hay mẫu
Vùng đã biết tên chưa được phát
hiện

Kinh tế
Kinh tế biên

Trữ lượng
Trữ lượng biên
Tài nguyên giả
Tài nguyên suy
định
đoán
Trữ lượng cận
Cận kinh tế
kinh tế
Không phải tất cả hạng mục trong bảng trên đều là trữ lượng
(reserves). Để giải thích quan điểm này, bảng trên tương tự như nguồn tài
chính cá nhân của bạn. Trữ lượng của bạn là tài sản có thể luân chuyển được
(liquid assets) như tiền trong túi, trong ngân hàng, ngược lại tài nguyên của
bạn bao gồm tổng thu nhập của bạn tích lũy trong suốt cuộc đời. Sự phân
biệt này rất cần thiết cho bạn vì tài nguyên là tài sản “đóng băng” hay là thu
nhập vào năm tới và nó không thể sử dụng để trả tiền các hóa đơn tháng này.

Giá trị của bạc (silver) như một trữ lượng có thể minh họa một số
điểm quan trọng về 2 khái niệm tài nguyên (resources) và trữ lượng
(reserves). Lớp vỏ Trái Đất chứa hầu hết là 2 nghìn tỷ mét tấn bạc. Đây là
nguồn tài nguyên bạc trên vỏ Trái Đất – một số lượng lớn hơn rất nhiều số
lượng sử dụng trên thế giới hàng năm ước tính khoảng 10,000 mét tấn bạc.
Nếu khối lượng bạc này tồn tại như kim loại tinh khiết tập trung ở một mỏ
lớn, nó sẽ tượng trưng cho một sự cung cấp đầy đủ trong vài trăm triệu năm
nữa, tính từ mức sử dụng hiện tại. Tuy nhiên, khối bạc này đa phần là tồn tại
Page 8


ở hàm lượng cực kỳ thấp – quá thấp để khai thác về mặt kinh tế với công
nghệ hiện tại. Trữ lượng bạc phản ánh số lượng mà chúng ta có thể thu về
ngay lập tức với công nghệ kỹ thuật đã biết vào khoảng 200,000 met tấn
hoặc là nguồn cung cấp 20 năm tính từ mức độ sử dụng hiện tại.



SỰ SẴN CÓ VÀ VIỆC SỬ DỤNG NGUỒN TÀI
NGUYÊN KHOÁNG SẢN:
Sự sẵn có của một khoáng vật trong một hình dạng nhất định, có độ

tập trung nhất định và với tổng số lượng nhất định được chứng minh bởi lịch
sử Trái Đất và vì vậy nó cũng là một đề tài địa chất. Những loại tài nguyên
khoáng sản và sự giới hạn mức độ sẵn có của chúng là một câu hỏi liên quan
đến xã hội và công nghệ mà chúng ta xem xét ở đây.
Những loại tài nguyên khoáng sản (Types of Mineral Resources).
Chúng rất cần thiết cho cuộc sống. Điển hình như muối hay còn gọi là halite
(NaCl). Người tiền sử đã thực hiện cuộc hành trình dài để thu gom muối khi
nó không có sẵn ở địa phương. Muối ngày nay là quan trọng hơn bao giờ hết

và nó có công dụng y học quan trọng như một phương tiện để phân phối các
chất hóa học, chẳng hạn như iod giúp ngăn chặn bệnh bướu cổ (một loại
bệnh tuyến giáp). Iod được thêm vào muối để con người sử dụng khi nêm
thức ăn. Flo cũng được thêm vào muối để ngăn ngừa bệnh sâu răng và thuốc
cũng được thêm vào muối để chống lại sốt rét, bạch huyết và giun chỉ (một
căn bệnh biến dạng gây ra bởi vi khuẩn, nó đã làm cho hơn 120 triệu người
nhiễm bệnh, đa phần ở Châu Á, Phi và Nam Mỹ). Những nguồn tài nguyên
khoáng sản khác như kim cương – biểu tượng cho vẻ đẹp và rất nhiều loại

Page 9


khoáng sản khác rất cần thiết trong quá trình sản xuất và duy trì trình độ phát
triển của khoa học công nghệ.
Những tài nguyên khoáng sản trên Trái Đất có thể chia thành các hạng
mục chung, dựa trên cách ta sử dụng chúng:


Những nguyên tố dành cho sản xuất kim loại và phục vụ công nghệ,
có thể phân loại theo độ phong phú của chúng. Kim loại có số lượng
nhiều như sắt, nhôm, crom, mangan, titan và magie. Sắt và nhôm
chiếm khoảng 3% (về trọng lượng) trên tổng lượng khoáng sản ở Mỹ.
Kim loại hiếm bao gồm đồng, chì, kẽm, thiếc, vàng, bạc, platin, urani,
thủy ngân và molipđen (molybdenum)



Vật liệu xây dựng như cát pha sỏi, sỏi và đá nghiền làm bê tông, đất
sét làm đất ốp lát (tile), tro bụi núi lửa làm gạch không nung (cinder
blocks) dùng để xây tường. Chúng chiếm khoảng 94% (về trọng

lượng) trên tổng lượng khoáng sản ở Mỹ.

 Khoáng sản dành cho công nghiệp hóa học, rất nhiều khoáng sản được
sử dụng trong sản xuất những sản phẩm hóa dầu (petrochemicals), đó
là những vật liệu sản xuất từ khí tự nhiên hay hỗn hợp chất lỏng tự
nhiên hydrocacbon trong lòng đất (crude oil), ví dụ như nhựa
(plastics).
 Khoáng sản dành cho nông nghiệp như phân bón. Đá phosphate chiếm
khoảng 1% (về trọng lượng) trên tổng lượng khoáng sản ở Mỹ.
Nhắc đến tài nguyên khoáng sản, ta thường nghĩ đến những kim loại
sử dụng trong vật liệu kiến trúc, nhưng thực chất, ngoại trừ sắt, những tài
nguyên còn lại đa phần không phải là kim loại. Hãy cùng xem xét số liệu về
sự tiêu thụ vài nguyên tố được chọn trên thế giới hàng năm. Natri và sắt
được sử dụng khoảng 100 triệu đến 1,000 triệu tấn trên một năm. Nitơ, lưu
Page
10


huỳnh, kali và canxi chiếm khoảng 10 triệu đến 100 triệu tấn trên một năm.
4 nguyên tố này được sử dụng làm phân bón cho đất. Kẽm, đồng, nhôm và
chì có sự tiêu thụ hàng năm là khoảng 3 triệu đến 10 triệu tấn, ngược lại
vàng và bạc lại lên đến 10,000 tấn hoặc ít hơn. Về phần khoáng sản là kim
loại, sắt chiếm 95% lượng kim loại tiêu thụ; niken, crom, coban và magie
được sử dụng chủ yếu dưới dạng hợp kim của sắt và những nguyên tố khác.
Vì vậy, chúng ta có thể kết luận rằng tài nguyên khoáng sản phi kim ngoại
trừ sắt được tiêu thụ với tỷ lệ lớn hơn những nguyên tố có thành phần kim
loại.
Cách đối phó với nguồn tài nguyên sẵn có đang bị giới hạn. Vấn
đề cơ bản liên quan đến sự sẵn có của tài nguyên khoáng sản không phải là
sự cạn kiệt hay tuyệt chủng; nói đúng hơn là giá của của sự duy trì một trữ

lượng đầy đủ hay hàng tồn kho (stock) trong nền kinh tế thông qua quá trình
khai thác và tái sử dụng. Ở một số thời điểm, tiền chi trả cho quá trình khai
thác vượt quá tiền vật tư. Khi sự có sẵn của một khoáng sản cụ thể bị giới
hạn, một vài giải pháp có thể giải quyết được đưa ra sau đây:
 Tìm thêm nhiều nguồn.
 Tìm nguồn thay thế.
 Tái sử dụng những nguồn đã thu được.
 Sử dụng tiết kiệm và sử dụng hiệu quả hơn những thứ mà chúng ta
đang có.
 Bỏ qua chúng, không dùng đến.
Chúng ta có thể sử dụng một tài nguyên khoáng sản cụ thể theo một
số cách như: tiêu thụ nhanh, vừa tiêu thụ vừa bảo tồn hay tiêu thụ, bảo tồn
kết hợp tái sử dụng. Sự lựa chọn phụ thuộc vào chỉ tiêu kinh tế, chính trị và
xã hội. Tuy nhiên, khi nhiều tài nguyên trở nên giới hạn, tăng sự bảo tồn và
Page
11


tái sử dụng diễn ra và xu hướng về tái sử dụng thành lập, duy trì được tốt
những kim loại như đồng, chì và nhôm.
Khi dân số thế giới và sự mong ước chất lượng cuộc sống cao tăng
lên, nhu cầu về tài nguyên khoáng sản gia tăng với tỷ lệ ngày một cao. Dân
số Mỹ chỉ chiếm 5% dân số thế giới, nhưng họ tiêu thụ một lượng tài nguyên
không cân đối, chủ yếu là nhôm, đồng và niken. Nếu tỷ lệ tiêu thụ những
kim loại này trên đầu người của thế giới tăng theo mức tiêu thụ của Mỹ thì
sự khai thác sẽ tăng gấp vài lần so với tỷ lệ đó ở hiện tại. Vì chính sự gia
tăng trong sản xuất rất khó xảy ra, những quốc gia giàu có phát triển hoặc là
phải tìm những nguồn thay thế cho số khoáng sản này hoặc là sử dụng với tỷ
phần thấp hơn sự sản xuất của thế giới hàng năm. May thay, những nguồn
thay thế đang được bổ sung. Ví dụ, ở Mỹ, sự tiêu thụ khoáng sản phi nhiên

liệu (nonfuel mineral) trên đầu người giảm đáng kể trong giai đoạn 1980 –
2010.
Sự cung ứng nội địa nhiều tài nguyên khoáng sản ở Mỹ và những
quốc gia phát triển khác là không đủ cho nhu cầu hiện tại và bắt buộc phải
nhập khẩu từ những nước khác. Ví dụ, Mỹ nhập khẩu graphite, mangan,
stronti, thiếc, platin và crom để sử dụng trong công nghiệp và các công đoạn
khác. Các quốc gia công nghiệp rất quan tâm đến một điều là sự cung cấp
khoáng sản theo yêu cầu trở nên gián đoạn bởi tính không ổn định về chính
trị, kinh tế và quân sự của những quốc gia cung cấp. Mỹ và những quốc gia
khác gồm Đông Âu, Nhật và gần hơn là Trung Quốc, Ấn Độ, hiện tại đang
phụ thuộc vào sự cung cấp đều đặn hàng nhập khẩu nhằm đáp ứng nhu cầu
khoáng sản cho công nghiệp. Dĩ nhiên, sự thật là một khoáng sản được nhập
khẩu vào một quốc gia thì không có nghĩa là nó không tồn tại trong quốc gia
đó với số lượng được khai thác. Đúng hơn là, có một số nguyên nhân liên
Page
12


quan đến kinh tế, chính trị và môi trường làm cho việc nhập khẩu vật liệu trở
nên dễ dàng hơn, thiết thực hơn và đáng mong đợi hơn.

15.2. ĐỊA CHẤT HỌC TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN:
Địa chất học của tài nguyên khoáng sản có mối liên hệ chặt chẽ đến
cách Trái Đất hoạt động thông qua thuyết kiến tạo mảng và chu kỳ đá, tất cả
các quá trình địa chất đều tham gia vào phạm vi khai thác độ tập trung của
những vật liệu hữu ích ở địa phương.



SỰ TẬP TRUNG KIM LOẠI Ở ĐỊA PHƯƠNG

(LOCAL CONCENTRATIONS OF METALS)
Thuật ngữ “quặng” (ore) đôi khi được dùng để gọi các khoáng sản có

sẵn trong tự nhiên mà được con người khai thác nhằm mục đích thu lợi
nhuận. Những vị trí nơi mà quặng được tìm thấy có sự tập trung các khoáng
sản cao bất thường. Sự tập trung kim loại cần thiết cho việc phân biệt một
khoáng sản cụ thể khi một quặng (ore) thay đổi với công nghệ, kinh tế và
chính trị. Trước khi nóng chảy (sự tách kim loại bằng đun nóng) được phát
hiện, chỉ có những quặng kim loại xuất hiện ở nơi nó hình thành dưới dạng
tinh khiết; vàng là một ví dụ, được tìm thấy lần đầu tiên như là một tinh chất
hay kim loại bản địa. Ngày nay, nhiều mỏ vàng mở rộng phạm vi sâu bên
dưới bề mặt Trái Đất và quá trình phục hồi bao gồm làm giảm hàng tấn đá
thành một lượng nhỏ vàng. Mặc dù đá chỉ chứa một ít vàng, ta có thể xem
rằng nó là quặng vàng (gold ore) vì ta có thể thu lợi nhuận khi khai thác nó.
Yếu tố tập trung (concentration factor) của một kim loại là tỷ lệ tập
trung cần thiết của nó cho mục đích khai thác có lời (sự tập trung của kim
loại trong quặng) so với tỷ lệ tập trung trung bình của kim loại đó trong vỏ
Trái Đất. Bảng 15.1 liệt kê một số nguyên tố kim loại và mức độ tập trung
Page
13


trung bình của chúng, hàm lượng tập trung trong quặng và các yếu tố tập
trung. Ví dụ, nhôm có tỷ lệ tập trung trung bình (average concentration)
khoảng 8% trong vỏ Trái Đất và cần được tìm kiếm thêm tới tỷ lệ tập trung
35% để được khai thác một cách tiết kiệm, cung cấp yếu tố tập trung khoảng
4. Ngược lại, thủy ngân (mercury) có tỷ lệ tập trung trung bình chỉ cỡ một
phần nhỏ của 1% và có yếu tố tập trung là khoảng 10,000 được khai thác
một cách tiết kiệm. Tuy nhiên, các quặng thủy ngân (mercury ores) thông
thường có ở những vùng xác định, nơi chúng và các quặng kim loại khác

được tích tụ. (Xem “Một góc nhìn gần: Kiến tạo mảng và Khoáng sản”).
Thành phần phần trăm của một kim loại trong quặng ( và do yếu tố tập
trung) dễ bị thay đổi khi nhu cầu đối với kim loại thay đổi.
Bảng 15.1: Các yếu tố tập trung ước tính của những kim loại được chọn
cần thiết trước khi sự khai thác khả thi về mặt kinh tế.
Kim loại
Vàng
Thủy ngân
Chì
Đồng
Sắt
Nhôm

Độ tập trung tự Hàm lượng trong Tỷ lệ tập trung
nhiên (%)
quặng (%)
gần đúng
0.0000004
0.001
2,500
0.00001
0.1
10,500
0.0015
4
2,500
0.005
0.4 to 0.8
80 - 160
5

20 to 69
4 - 14
8
35
4

KIẾN TẠO MẢNG VÀ KHOÁNG SẢN (A CLOSER BOOK:
PLATE TECTONICS AND MINERALS)
Tiếp cận trên khía cạnh địa chất học của tài nguyên khoáng sản cho
thấy rằng, các ranh giới kiến tạo mảng có liên quan đến nguồn gốc của một
số mỏ quặng (ore deposits) như sắt, vàng, đồng, thủy ngân (xem bảng
15.A). Về cơ bản, các mỏ quặng là kết quả của quá trình hoạt động tại ranh
Page
14


giới phân kỳ và ranh giới hội tụ (diverging and converging plate
boundaries).
Nguồn gốc của các mỏ quặng kim loại ở vùng ranh giới phân kỳ có
liên quan đến sự vận chuyển nước ở đại đương. Nước đại dương đặc, lạnh
chảy qua vô số các khe nứt trong lớp đá bazan ở sống núi giữa đại dương
(oceanic ridges) và bị nung nóng bởi nhiệt từ đá magma gần đó. Nước ấm
nhẹ hơn, có hoạt tính hóa học dễ hơn và nâng lên xuyên qua đá có khe nứt,
khử (leaching out) kim loại. Kim loại được mang đi dưới dạng lỏng
(solution) và lắng đọng hình thành cột khói đen (black smokers) có cấu trúc
giống hình dạng ống khói, thải ra nước nóng, đen, có chứa khoáng vật. Hàng
loạt chất lắng đọng chứa sulfide được phát hiện dọc theo sống núi và không
còn nghi ngờ gì nữa, những khoáng vật khác cũng sẽ tồn tại ở đó. Điều này
sẽ được thảo luận thêm ở phần 15.2 về khoáng vật ở biển.
Nguồn gốc của những mỏ quặng kim loại ở ranh giới hội tụ theo giả

thuyết là kết quả của sự kiện nóng chảy cục bộ của đá bão hòa nước biển
(seawater-saturated) ở mảng đại dương (oceanic lithosphere) trong đới hút
chìm (subduction zone). Nhiệt độ và áp suất gây ra sự nóng chảy và làm cho
kim loại dễ dàng giải phóng ra và di chuyển từ đá magma. Những kim loại
có nguồn gốc từ đá này trở nên cô đặc (concentrated) và vượt lên như những
hợp phần lỏng của magma. Dung dịch giàu kim loại cuối cùng được giải
phóng từ magma và những kim loại đó được tích tụ trong đá vây quanh (host
rock).
Một ví dụ về mỏ khoáng kim loại ở đới hút chìm là sự xuất hiện toàn
cầu của khoáng vật thủy ngân (Bảng 15.B). Tất cả những khu vực mỏ
khoáng sản xuất nhiều thủy ngân có kết hợp với hệ thống núi lửa và nằm ở
gần ranh giới hội tụ. Có thể nói rằng, thủy ngân ban đầu được tìm thấy trong
Page
15


trầm tích của vỏ đại dương, được thoát ra khỏi mảng bị chìm xuống dưới và
vượt lên ở tầng cao hơn phía trên đới hút chìm. Điều đáng nói là, từ góc độ
kinh tế, hoạt động của mảng hội tụ được mô tả bằng hoạt động kiến tạo và
núi lửa, thường là nơi dễ tìm thấy thủy ngân. Một tranh cãi tương tự đối với
những quặng khoáng sản khác là rất nhiều khoáng sản không trực tiếp liên
quan đến hoạt động của các ranh giới mảng.

Page
16


Hình 15.A. Kiến tạo mảng và khoáng sản. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ
giữa Sự nâng lên ở phía Đông Thái Bình Dương(ranh giới phân kỳ), Rìa
Thái Bình Dương(ranh giới hội tụ), và các mỏ quặng kim loại.

Page
17


Hình 15.B Các mỏ trầm tích thủy ngân. Mối quan hệ giữa các mỏ trầm
tích thủy ngân và các đới hút chìm hoạt động gần đây.
Các tài nguyên khoáng sản có giá trị thương mại có thể bị phân thành
nhiều loại, dựa trên các quá trình hình thành địa chất:


Các quá trình macma, bao gồm sự lắng đọng tinh thể, giai đoạn cuối

quá trình macma, và thay thế thủy nhiệt.
 Các

quá trình biến chất liên quan đến biến chất tiếp xúc hoặc khu vực.

 Các

quá trình lắng đọng, bao gồm sự tích tụ ở biển, hồ, sông, gió và các

môi trường băng hà.
 Các

quá trình sinh học.

 Các

quá trình phong hóa, chẳng hạn như sự hình thành đất và sự tập

trung các khoáng chất không hòa tan trong các mảnh vụn đá phong hóa.

Bảng 15.2 Liệt kê các ví dụ về trữ lượng quặng của mỗi loại.
CÁC QUÁ TRÌNH MAGMA.
Hầu hết các mỏ quặng, nguyên nhân là bởi quá trình magma, do bởi
quá trình làm giàu mà tập trung quặng kim loại hấp dẫn về mặt kinh tế, như
đồng, niken, hoặc vàng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, toàn bộ khối đá
magma chứa các tinh thể xâm tán (disseminated crystals) có thể thu lại được
kinh tế. Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất là sự xuất hiện của các tinh thể kim cương,
được tìm thấy trong đá magma hạt thô (coarse-grained igneous rock) được
gọi là kimberlite, đặc trưng của nó là đá dạng hình ống, đường kính giảm
dần theo độ sâu. (Hình 15.3, trang 510).
Bảng 15.2 Ví dụ về những dạng khác nhau của tài nguyên khoáng sản.

Page
18


Hầu hết toàn bộ ống kimberlite là quặng trầm tích, và các tinh thể kim
cương xâm tán khắp đá.
Kim cương, bao gồm carbon, hình thành ở nhiệt độ và áp suất rất cao,
độ sâu lý tưởng có thể là ở 190 km - dưới lớp vỏ của trái đất và trong
mantle. Một số ống kimberlite ở Nam Phi được cho là 2 tỷ năm tuổi. Gần bề
mặt, kim cương không ổn định trong thời gian địa chất và cuối cùng sẽ thay
đổi thành graphite (khoáng chất “than chì” trong bút chì). Nhưng đừng bán
kim cương của bạn! Sự chuyển đổi sẽ không xảy ra ở nhiệt độ và áp suất bề
mặt, và kết quả là, kim cương cực kỳ bền, vẻ đẹp nguyên vẹn và là bí ẩn thú
vị đối với con người. Thực tế là ống kimberlite quá cũ để cho thấy rằng
Page

19


chúng đã bị xâm nhập (nghĩa là di chuyển lên phía trên) từ độ sâu tạo thành
kim cương sâu đến gần bề mặt đất tương đối nhanh. Nếu đó không phải
trường hợp, kim cương bị chuyển thành graphite.

Tinh thể lắng đọng. Sự tập trung các quặng trầm tích có thể là kết
quả từ các quá trình magma được gọi là tinh thể lắng đọng điều này được
hiểu là phân tách các tinh thể được hình thành trước với những tinh thể hình
thành sau. Ví dụ, khi macma nguội, các khoáng chất nặng kết tinh sớm có
thể từ từ chìm hoặc lắng xuống phía dưới của bồn magma, ở đó chúng hình
thành các lớp tập trung. Sự lắng đọng của chromite (tức là quặng crom) đã
được hình thành bởi quá trình này (Hình 15.4).

Page
20


Hình 15.3 Đường ống kim cương (a) sơ đồ lý tưởng cho thấy một đường
ống và mỏ kim cương điển hình ở Nam Phi. Kim cương nằm rải rác trong
toàn bộ khối hình trụ của đá núi lửa, ống kimberlite. (b) Mỏ kim cương
nhìn từ trên không thuộc vùng Kimberly, Nam Phi. Đây là một trong
những cuộc khai quật thủ công (bằng tay) lớn nhất thế giới.
Page
21


Hình 15.4 Các lớp chromite hình thành như thế nào . Các tinh thể
Chromite kết tinh sớm, và nặng thì chìm xuống đáy và tích tụ trong các

lớp.
Giai đoạn cuối của quá trình magma và thay thế thủy nhiệt
(Hydrothemal Replacement). Giai đoạn cuối quá trình magma xảy ra sau
khi hầu hết magma có các vật liệu kết tinh và vật liệu kim loại hiếm và nặng
trong các dung dịch giàu nước và khí. Dung dịch kim loại cuối giai đoạn này
có thể bị ép vào các vết nứt (fractures ) hoặc lắng xuống các khoảng khe hở
(khoảng trống) giữa các tinh thể được hình thành trước đó. Các dung dịch
khác, ở giai đoạn cuối tạo thành đá magma hạt thô được biết đến là khoáng
đá pegmatite, đá này giàu fenspat, mica, và thạch anh (quartz), cũng như các
khoáng chất quý hiếm. Pegmatites đã được khai thác rộng rãi để lấy felspat,
mica, spodumen (nghĩa là khoáng lithium), thạch anh tinh khiết cho các
mảnh vụn silic và đất sét hình thành từ fenspat phong hoá.
Page
22


Thủy nhiệt (tức nước nóng), mỏ khoáng thủy nhiệt là một loại mỏ
thông thường. Chúng bắt nguồn vào giai đoạn cuối quá trình magma và tạo
ra nhiều khoáng chất, bao gồm vàng, bạc, đồng, thủy ngân, chì, kẽm và các
kim loại khác cũng như nhiều khoáng chất phi kim loại. Các dung dịch thuỷ
nhiệt tạo thành các quặng, là chất lỏng khoáng hóa, chúng dịch chuyển qua
đá gốc, kết tinh thành các mạch hoặc các rãnh nhỏ (Hình 15.5). Vật liệu
khoáng vật cũng được sản xuất trực tiếp từ đá magma gốc hoặc thay đổi bởi
các quá trình biến chất, vì các dung dịch magma xâm nhập vào bề mặt đá.
(Thay đổi bởi các quá trình biến chất, được gọi là sự biến dạng tiếp xúc
(contact metamorphism), được thảo luận ở các quá trình biến chất, phần sau
trong chương này). Tuy nhiên, nhiều mỏ thủy nhiệt không thể tìm thấy trữ
lượng đá magma tạo thành chúng, cũng như nguồn gốc chính. Người ta
nghiên cứu là do tính tuần hoàn của nước ngầm, đã nung nóng và làm giàu
với nhiều khoáng chất sau khi tiếp xúc với magma chôn sâu, đây có thể là

nguyên nhân của một số quặng trầm tích.
Mỏ thủy nhiệt có hai loại: dạng lấp đầy (cavity-filling) và dạng thay
thế (replacement). Mỏ lấp đầy được hình thành khi các dung dịch thuỷ nhiệt
di chuyển dọc theo các khe hở trong đá (ví dụ, các hệ thống khe nứt, lỗ
trống, mặt phẳng xếp chồng tinh thể) và kết tủa (tức là kết tinh) các khoáng
chất quặng. Các mỏ thay thế tạo thành khi các dung dịch thủy nhiệt phản
ứng với đá gốc, tạo thành một vùng trong đó các khoáng chất quặng kết tụ từ
các chất lỏng khoáng hóa và thay thế một phần của đá mẹ. Mặc dù các mỏ
thay thế được cho là có ưu thế ở nhiệt độ và áp suất cao hơn so với các mỏ
lấp đầy, tuy nhiên có thể tìm thấy mối quan hệ chặt chẽ khi so sánh dạng này
với dạng còn lại; có nghĩa là, sự lấp đầy một nếp nứt gãy hở bằng sự lắng

Page
23


đọng (precipitation) từ các dung dịch thủy nhiệt có thể xảy ra đồng thời sự
thay thế của đá bao phủ nếp nứt gãy đó.
Các quá trình thay thế thủy nhiệt quan trọng bởi vì, ngoại trừ một số
mỏ sắt và phi kim, chúng đã sản xuất một số mỏ khoáng sản lớn nhất và
quan trọng nhất thế giới. Một số các mỏ này là kết quả từ địa khối (massive),
gần như hoàn chỉnh với sự thay thế đá mẹ với các khoáng vật quặng, và kết
thúc một cách đột ngột; một số khác tạo thành các vùng thay thế mỏng theo
các vết nứt; và những mỏ khác tạo ra các mỏ thay thế phổ biến, điều này có
thể liên quan đến số lượng lớn quặng tương đối ít giá trị.

Vùng biến chất tiếp xúc nơi
hiện nay là mỏ khoáng sản.
Lưu ý vùng này ở đá vôi thì
rộng hơn ở đá phiến sét và

cát kết (sandstone). Kết
quả này là do đá vôi có
nhiều hoạt động hóa học do
chịu tác động của quá trình
biến chất tiếp xúc.

Hình 15.5 Mỏ thủy
nhiệt và mỏ biến chất tiếp xúc. Sự hình thành mỏ thủy nhiệt và mỏ biến
chất tiếp xúc.
Chuỗi các sự kiện địa chất thực tế cho thấy sự phát triển của trầm tích
mỏ thủy nhiệt thường rất phức tạp. Ví dụ, hãy xem xét các mỏ đồng lớn, phổ
biến ở miền bắc Chile. Khoáng sản thực sự được cho là có liên quan đến
Page
24