Ископаемые вещества и горючее топливо

Уголь

Ископаемый уголь – это один из самых распространенных минеральных ресурсов в мире. Его залежи обнаружены на всех континентах Земли. Но наибольшими залежами угля обладают следующие страны: США, Китай, Россия, Индия и Австралия.

В зависимости от содержания углерода, существует три основных типа данного полезного ископаемого:

• Бурый уголь (до 65-70 % углерода).
• Каменный уголь (75-95 %).
• Антрацит (более 95 %).

Цвет угля варьируется от бурого до темно-серого и черного.

Из недр планеты уголь добывается двумя основными способами:

1. Закрытым.
2. Открытым.

Закрытый (или шахтный) способ добычи применяется при значительных глубинах залегания угольных пластов (свыше 100 метров). Для этого строятся шахты или же штольни. Главное преимущество такого способа добычи – это экологичность. Угольные шахты наносят окружающей среде гораздо меньше вреда, чем карьеры или разрезы. В то же время шахтная добыча является чрезвычайно опасной для здоровья и жизни рабочих.

Открытый (или карьерный) способ добычи применяют в тех случаях, когда угольные пласты расположены максимально близко к поверхности земли. В этом случае вскрывается верхний слой земной коры (включая грунт) и начинается непосредственная разработка месторождения. Порода дробится при помощи специальных машин (драглайнов и дробилок) и вывозится на поверхность. Среди преимуществ открытого способа угледобычи – экономичность и относительная безопасность. Однако карьеры «съедают» огромные земельные площади и наносят колоссальный вред окружающей среде. Плюс ко всему, уголь, извлеченный таким способом, как правило, содержит большое количество разных примесей.

Железная руда

Под железными рудами подразумевают природные минеральные образования с содержанием железа (Fe) от 10 % до 75 %. В целом известно о двухстах минералах, в составе которых содержится железо. Но самые важные из их числа – это магнетиты и гематиты. Руды с содержанием железа до 45 % считаются бедными и требуют дополнительного обогащения.

Железная руда служит основным сырьем для черной металлургии. Основная ее часть идет на производство чугуна и стального проката. Крупнейшими поставщиками железных руд на мировой рынок являются Индия, Китай, Украина, Россия, Бразилия, Казахстан и Австралия. На эти страны приходится свыше 80% от общемировой добычи.

Добыча данного полезного ископаемого осуществляется в рудниках и карьерах (реже – в шахтах). Богатые руды сразу же отправляются в мартеновские и конверторные цеха для выплавки стали. Бедные руды с низким содержанием железа нуждаются в обогащении. Этот процесс осуществляется на специальных горно-обогатительных комбинатах (ГОКах). Вначале извлеченную из недр земли руду дробят, а затем отправляют полученную массу на магнитный сепаратор, который «вытягивает» из нее железные частицы. После этого обогащенную руду спекают в небольшие окатыши (диаметром в 8-15 мм) и отправляют на металлургические комбинаты.

Объемы мировой добычи железной руды стремительно возрастают. Если в 2001 году было извлечено около 1 миллиарда тонн данного сырья, то в 2010 году эта цифра уже составила 2,4 миллиарда тонн. Правда, некоторые высокоразвитые страны постепенно сокращают потребление железной руды и переходят на вторичную переработку уже имеющегося у них металлолома.

Каменная соль

Рассказывая о самых востребованных полезных ископаемых, нельзя не упомянуть о соли. Ценность данного минерала и пищевого продукта необычайно велика. В давние времена соль нередко выполняла функцию расчетных денег. Она жизненно необходима любому человеческому организму. Дефицит соли сопровождается слабостью, головными болями и тошнотой.

Химическая формула этого минерала – NaCl (хлорид натрия). В природе встречается в виде бесцветных прозрачных кристаллов. Кухонную соль получают несколькими способами. Собственно, соль каменная добывается шахтным способом. Минерал также получают посредством вываривания жидких соляных растворов.

Всего в мире добывается около 200 миллионов тонн соли в год. Крупнейшими производителями этого продукта являются такие страны, как США, Китай, Индия, Канада, Франция, Германия, Россия, Украина, Чили. Древнейшие солеварни были обнаружены археологами на побережье Черного моря (современная Болгария). Ученые выяснили, что соль здесь начали добывать еще в шестом тысячелетии до нашей эры.

Преимущества и недостатки

Ископаемое топливо имеет несколько преимуществ и недостатков, когда дело доходит до использования его в качестве источника энергии. Разберем их:

• Обилие депозитов. Хотя ходят разговоры о его следующем истощении, запасы ископаемого топлива нам все же приходится снабжать. С ростом возобновляемой энергии ее использование сокращается с каждым днем.
• Доступ к заповедникам пока не очень сложен.. Это означает, что, поскольку его легко извлечь, снижаются экономические эксплуатационные расходы.
• Обеспечивает большую мощность по относительно низкой цене. Надо сказать, что, хотя они и бесполезны в долгосрочной перспективе, они представляют собой сильную и дешевую энергию.
• Его транспортировка и хранение дешевы и просты. В отличие от возобновляемых источников энергии, транспортировка и хранение ископаемого топлива просты. Возобновляемые источники энергии имеют недостатки в их системы хранения.

К недостаткам шире, так как они делятся на несколько типов. Мы собираемся обсудить их по частям.

Экологические недостатки

Сжигание, добыча, переработка и транспортировка этих ископаемых видов топлива имеют прямые последствия для парникового эффекта. Почти 80% выбросов углекислого газа во всем мире они происходят из ископаемого топлива.

Влияние на здоровье

Население страдает от загрязнения и страдает респираторными и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Наиболее уязвимые слои населения — беременные женщины, пожилые люди и дети. Особенно сильно страдают дети, так как, больше бегая во время игры, они дышат больше воздуха и пьют больше воды. Ваш метаболизм еще недостаточно развит, чтобы устранять вредные вещества.

Будем надеяться, что возобновляемые источники энергии заменят ископаемое топливо и улучшат качество жизни.

Ископаемое топливо как источник энергии

Наш мир постоянно меняется. Экономическое развитие, которое спровоцировало промышленную революцию, заставляет наше общество развиваться. Полностью индустриальное общество, в котором экономическое развитие связано с источниками энергии.

Энергия, которую человек потребляет каждый день для выполнения всех видов деятельности, получается из разных источников. Некоторые из них возобновляемые источники а другие нет. На данный момент наш мир движется в в основном с невозобновляемыми источниками энергии, которые загрязняют планету.

Ископаемая энергия получается путем сжигания некоторых веществ, которые поступают из остатков растений и других живых организмов, разлагающихся на протяжении многих лет. Миллионы лет назад эти останки были погребены под воздействием природных явлений и действием микроорганизмов. После того, как они были похоронены в земной коре, они оказались в условиях давления и высокой температуры, которые и придали им их нынешние характеристики.

Влияние на окружающую среду

Эмиссия CO₂

Сжигание ископаемых видов топлива приводит к выбросам диоксида углерода (CO₂) — парникового газа, который сохраняется в атмосфере столетиями и вносит наибольший вклад в глобальное потепление. Климатические исследования надежно установили близкую к линейной связь между величиной глобального потепления и количеством накопленного в атмосфере диоксида углерода CO₂. Для ограничения глобального потепления величиной 2 °C с назначенным шансом на успех, необходимо установить предельную величину будущих совокупных выбросов CO₂, которые, таким образом, представляют собой конечный по величине общий глобальный ресурс. Эмиссионный бюджет СО₂, определяемый из цели предотвращения неприемлемого глобального потепления, означает, что 60—80 % запасов ископаемого топлива должны оставаться нетронутыми, для чего требуется немедленное и резкое снижение текущих темпов добычи и сжигания ископаемого топлива.

В то же время мировые финансовые рынки в основном игнорируют необходимость ограничения эмиссии CO₂. Добыча ископаемого топлива продолжает субсидироваться правительствами многих стран, большие средства продолжают расходоваться на разведку новых запасов. Инвесторы склонны полагать, что все запасы углеродного сырья могут стать объектом добычи и коммерческого использования.

Начиная с 2012 года, ряд экологических групп проводят глобальную кампанию за бойкот инвестиций в ископаемое топливо, логику которой её инициаторы формулируют следующим образом: «если неправильно разрушать климат, то неправильно и получать прибыль от этого разрушения».
Масштабы кампании быстро расширяются, её официально поддержала ООН. Несколько транснациональных инвесторов (например, крупнейшая страховая компания Франции AXA) объявили о полном деинвестировании своих средств из добычи угля.

Роль выбросов природного газа

Природный газ, основную часть которого составляет метан, также является парниковым газом. Парниковый эффект одной молекулы метана примерно в 20—25 раз сильнее, чем у молекулы CO₂, поэтому с климатической точки зрения сжигание природного газа предпочтительней его попаданию в атмосферу.

Другие воздействия

На долю предприятий топливно-энергетического комплекса России приходится половина выбросов вредных веществ в атмосферный воздух, более трети загрязнённых сточных вод, треть твёрдых отходов от всей национальной экономики. Особую актуальность приобретает планирование экологических мероприятий в районах пионерного освоения ресурсов нефти и газа.

Руды металлов

Металлы присутствуют во многих вещах, которыми мы пользуемся ежедневно: в автомобилях, ноутбуках, мобильных телефонах, бытовой технике и даже в самых обычных лампочках. Причем чаще всего это не чистые металлы, а сплавы, созданные человеком искусственным путем. Так, широко применяемая сталь – это сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами (например, марганцем). Но самым первым этапом в процессе производства любого металла или сплава является добыча необходимого рудного сырья.

Существует пять основных видов рудных полезных ископаемых. Это:

• Черные металлы (железо, хром, марганец).
• Цветные металлы (медь, алюминий, никель).
• Редкие металлы (вольфрам, молибден, олово).
• Радиоактивные соединения (радий, уран).
• Благородные металлы (золото, серебро, платина).

Наибольшее значение для человечества на современном этапе его развития представляют железные руды (как основа для производства различных сплавов), а также алюминий и медно-никелевые руды. В частности, наличие в недрах страны крупных залежей цветных металлов во многом способствует ее техническому прогрессу. Ведь они широко используются в электротехнике, авиастроении, космонавтике и производстве высокоточных приборов.

Золото

Пожалуй, нет на Земле человека, который не слышал бы слова «Клондайк». Название этого региона на Аляске стало нарицательным как обозначение места, полного драгоценных сокровищ. В конце XIX века здесь были обнаружены колоссальные залежи золота. И тысячи авантюристов отправилось в дикий и далекий край на его поиски. Немногим счастливчикам удалось туда добраться и найти бесценное сокровище желтого цвета.

Золото и сегодня является ценнейшим металлом на Земле. Чаще всего его используют в ювелирной промышленности и как объект инвестирования. Золотые слитки считаются самым надежным способом сохранить свои сбережения. Помимо этого, благородный металл также применяется в микроэлектронике, стоматологии и пищевой промышленности.

За всю историю человечество извлекло из земли около 160 тысяч тонн золота. В денежном эквиваленте это сумма, которая равна примерно 8 триллионам американских долларов. Лидерами по добыче золота в мире являются следующие страны: Китай, Россия, Австралия, США, Южно-Африканская Республика, Перу, Канада. На территории Российской Федерации сегодня работает 37 золотодобывающих компаний. Они расположены в Бурятии, Амурской и Иркутской области, Забайкалье, Красноярском крае, Республике Тыве и некоторых других регионах страны.

Нефтяное образование

Нефть — это ископаемое топливо, которое образуется из отходов жизнедеятельности живых водных, животных и растительных организмов. Эти живые существа жили в морях, лагунах и устьях недалеко от моря.

Нефть в те среды осадочного происхождения. Это означает, что образовавшееся вещество было органическим и отложилось покрытым отложениями. Все глубже и глубже под действием давления земной коры он превращался в углеводород.

Этот процесс занимает миллионы лет. Поэтому, хотя нефть постоянно добывается, это происходит с ничтожной скоростью по человеческим меркам. К тому же скорость расхода масла такова, что сроки его исчерпания уже намечены. В реакции нефтеобразования сначала действуют аэробные бактерии, а позже, на большей глубине, — анаэробные бактерии. Эти реакции выделяют кислород, азот и серу. Эти три элемента входят в состав летучих соединений углеводородов.

Поскольку отложения уплотняются под действием давления, образуется коренная порода. Впоследствии из-за эффектов миграции нефть начинает пропитывать все более пористые и проницаемые породы. Эти скалы были названы «Склад скал». Там масло концентрируется и остается в них. Таким образом, процессы добычи нефти осуществляются для использования ее в качестве топлива.

География минеральных ресурсов планеты

Распространение тех или иных полезных ископаемых по поверхности нашей планеты связано, в первую очередь, с геологическим строением территории. Так, на щитах древних платформ встречаются многочисленные месторождения черных и цветных металлов. А вот к зонам краевых и предгорных прогибов приурочены существенные залежи нефти, газа, угля, а также соли. Полезные ископаемые нерудного типа рассредоточены повсеместно: и в пределах складчатых (горных) областей, и в пределах платформенных участков.

На географических картах месторождения минеральных ресурсов обозначают специальными графическими символами и знаками. Причем у каждого полезного ископаемого – свое обозначение (см. фото ниже). Так, к примеру, каменный уголь обозначают закрашенным квадратом, соль – пустым квадратом, железную руду – черным равносторонним треугольником и так далее.

Далее предлагаем вкратце ознакомиться с самыми ценными и востребованными на сегодня видами минеральных полезных ископаемых. Это нефть, газ, уголь, железная руда, золото и алмазы.

Краткая характеристика

Уголь

Ископаемый уголь

Уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая, в свою очередь, способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа:

• бурые угли (лигниты);
• каменные угли;
• антрациты;
• графиты.

В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Нефть

Нефть — природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Нефть известна человечеству с древнейших времён. Однако в наши дни нефть является одним из важнейших для человечества полезным ископаемым.

Горючие сланцы

Горючий сланец — полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и других) и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).

Природный газ

Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и +20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Газовые гидраты

Газовые гидраты — кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Название «клатраты» (от лат. clathratus — «сажать в клетку»), было дано Пауэллом в 1948 году. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава.

Сланцевый газ

Сланцевый природный газ — природный газ, добываемый из горючих сланцев и состоящий преимущественно из метана.

Торф — горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Содержит 50—60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) — 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и так далее. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см (если меньше, то это заболоченные земли).

Извлекаемые запасы (резервы)

Глобальный выброс ископаемого углерода по видам топлива, 1800—2007 годыПримечание: Углерод составляет только 27 % от массы СО₂

Доказанные запасы по данным 2005—2006 годов:

• Ископаемый уголь: 905 млрд метрических тонн или 702,1 км³ (4416 млрд баррелей) в пересчёте на нефтяной эквивалент.
• Нефть: 177,9 км³ (1119 млрд баррелей) — 209,4 км³ (1317 млрд баррелей).
• Природный газ: 175—181 триллион кубических метров или 1161 миллиард баррелей (184,6×109 м³) в пересчёте на нефтяной эквивалент.

Добыча ископаемых видов топлива по данным 2006 года:

• Ископаемый уголь: 16,761 млн метрических тонн, или 8,3 миллиона м³ (52 миллиона баррелей) в пересчёте на нефтяной эквивалент в сутки.
• Нефть: 13,4 миллиона м³ в сутки (84 миллиона баррелей в сутки).
• Природный газ: 2,963 триллиона кубометров или три миллиона м³ (19 млн баррелей) в пересчёте на нефтяной эквивалент в сутки.

Доказанные запасы (годы добычи в текущем темпе), остающиеся в Земле (2006):

• ископаемый уголь: на 148 лет;
• нефть: на 43 года;
• природный газ: на 61 год.

Нефть и газ

Если перечислить виды полезных ископаемых, которые используются человеком в наши дни, то счет пойдет на сотни, или даже на тысячи. Минерально-ресурсный потенциал земных недр просто поражает! Но мало кто станет спорить с тем фактом, что важнейшими видами полезных ископаемых, по состоянию на первую четверть XXI века, являются нефть и природный газ.

Нефть нередко называют черным золотом, тем самым подчеркивая всю значимость и ценность данного ресурса. Это топливо востребовано во всем мире, и некоторые страны неплохо пополняют свои бюджеты от его реализации. Нефть является важнейшим видом полезных ископаемых для Северной Африки и Юго-Западной Азии. Лидируют в мире по общим запасам этого полезного ископаемого Саудовская Аравия, Венесуэла, Иран, Ирак и Канада.

Нефтедобыча приносит странам колоссальные прибыли. Извлекается нефть из недр Земли тремя основными способами:

• Механическим.
• Фонтанным.
• Сланцевым.

Наиболее распространенным является механический (или насосный) метод добычи. Для этого бурятся скважины, после чего нефть откачивается при помощи мощного компрессорного оборудования. Стоит отметить, что черное золото добывают не только на суше, но и на море. Для этого на воде устанавливают специальные плавучие платформы.

Рядом с залежами нефти нередко обнаруживаются и месторождения газа. Вместе они часто образуют целые нефтегазоносные области и провинции, занимающие значительные площади. Под природным газом подразумевается смесь сразу нескольких газов (метана, пропана, бутана и некоторых других), которая образуется в толще земной коры в результате анаэробного разложения органических веществ. Из недр планеты его добывают при помощи скважин, глубина которых может достигать нескольких километров.

Альтернативы

Уже больше века исследователи обеспокоены ситуацией и возможной экологической катастрофой, поэтому ищут решение. В 20-м веке полагались на ядерную энергетику. Реакторы медленного давления используют для нагрева воды, которая генерирует пар для турбин.

Среди методов стоит вспомнить энергию ветра, солнечную энергию и электричество.

Сферический токамак MAST (Великобритания)

Также альтернативой служат биологические источники, где вместо бензина используют растительность и биологические вещества. Для электрических двигателей задействуют водород и воду.

Полагают, что к середине 21-го века человечество уже распрощается с ископаемым топливом и перейдет к новым видам. Но на это время ожидается также и рост населения, поэтому ученые беспокоятся насчет перспектив, а также парникового эффекта.

Использование

Уголь стал популярным ископаемым источником топлива еще в древние времена. Нерафинированные масла использовали в лампах, а полутвердые углеводороды применяли для гидроизоляции и бальзамирования.

Ископаемые стали источником энергии в 18-19-х вв., когда началась промышленная революция и активное сжигание материалов. До этого во главе всего стояло китовое масло, но на его смену пришла нефть. Дальше изобрели электрические генераторы, которые требовали уголь и нефть в качестве подпитки.

Нефть стала незаменимой с развитием двигателя внутреннего сгорания и воздушных судов. Тогда ее применяли не только в качестве энергетического источника, но и создавали пластмассу и различное сырье.

В современном мире мы используем 41.3% угля, 21.7% природного газа и 4.4% нефти. В 2012 году в день использовалось 75 миллионов баррелей нефти.

Оценка стран по годовой добыче нефти

Кроме того, сама отрасль постоянно получает государственные гарантии и поощрения.

Горючие ископаемые

Горючие (или топливные) полезные ископаемые – вид минеральных ресурсов, отличающийся таким свойством, как горение. И используются они в основном в качестве источника тепловой энергии. К основным видам топливных полезных ископаемых относят нефть, природный газ, каменный и бурый уголь, торф, антрацит и горючие сланцы.

Горение всех вышеназванных видов топлива высвобождает большое количество энергии. Этому способствуют углероды, которые содержатся во всех, без исключения, горючих полезных ископаемых. Невозможно представить себе жизнь современного города без нефти, из которой получают бензин, или же без газа, который расходуется на отопление многих жилых домов. Уголь широко используется в тяжелой промышленности, в частности, в теплоэнергетике и черной металлургии.

Виды ископаемого топлива

В настоящее время для получения энергии используются различные виды ископаемого топлива. Каждый из них имеет разные характеристики и происхождение. Однако все они содержат большое количество энергии, которая используется для различных целей.

Далее мы опишем основные из них:

• Минеральный углерод. Это уголь, который использовался для локомотивов. В основном это углерод, обнаруженный в крупных отложениях в земле. Для его добычи строятся шахты, где используется ресурс.
• Нефть. Это смесь самых разных углеводородов в жидкой фазе. Он состоит из других крупных примесей и используется для получения различных видов топлива и побочных продуктов.
• Натуральный газ. Он состоит в основном из метана. Этот газ соответствует легчайшей части углеводородов. Поэтому говорят, что природный газ менее загрязняет окружающую среду и более чистый. Добывается с нефтяных месторождений в виде газа.
• Битуминозные пески и горючие сланцы. Это материалы, образованные песками размером с глину, которые содержат небольшие остатки органического вещества. Это органическое вещество состоит из разложившихся материалов, структура которых очень похожа на структуру масла.

Ядерная энергия также считается одним из видов ископаемого топлива. Он высвобождается в результате ядерной реакции, называемой Ядерное деление. Это разделение ядер тяжелых атомов, таких как уран или плутоний.

Влияние на окружающую среду

Теперь вы знаете, как полезные ископаемые используют в качестве топлива и легкого источника энергии. Но каковы последствия для планеты Земля? Еще в период промышленной революции поняли, что между использованием ископаемого топлива и загрязнением воздуха есть прямая связь. При сжигании угля и нефти образуются различные вредные вещества, которые негативно сказываются не только на атмосфере, но и на здоровье человека.

Примерно 90% выбросов приходится на углекислый газ, что приводит к парниковому эффекту. В 2013 году объявили, что уровень CO2 впервые достиг 400 частичек на миллион, а сами изменения тянутся с 19 века.

Если тенденция сохранится, то средняя температура повысится на 2.5°C, что сделает непригодными для жизни многие земные регионы.