أهمية عمليات التعدين واستخراج المعادن خلال تاريخ الأرض

ما المقصود بعملية التعدين على سطح الأرض؟

التعدين هي عبارة عن عملية استخراج المعادن المفيدة من سطح الأرض وأيضاً استخراج المعادن المهمة من البحار، قام الجيولوجيين بتعريف المعدن (مع استثناءات قليلة) على أنه مادة غير عضوية تحدث في الطبيعة لها تركيبة كيميائية محددة وخصائص فيزيائية مميزة أو بنية جزيئية، (غالباً ما تتم مناقشة مادة عضوية واحدة وهي الفحم كمعدن أيضاً)، فالركاز هو معدن معدني أو مجموعة من المعادن والشوائب المعدنية (الصخور المرتبطة بها التي ليس لها قيمة اقتصادية)، والتي يمكن استخراجها بربح اقتصادي كبير، وتدل الترسبات المعدنية على حدوث طبيعي لمعدن مفيد، بينما ترسب رواسب الخام ترسبات معدنية ذات مدى وتركيز كافيين لدعوة الاستغلال.

عند تقييم الرواسب المعدنية من المهم للغاية وضع الربح في الاعتبار، ويشار إلى الكمية الإجمالية من المعدن في وديعة معينة على أنها مخزون المعادن، ولكن فقط الكمية التي يمكن استخراجها بربح تسمى احتياطي الخام، ومع ارتفاع سعر بيع المعدن أو انخفاض تكاليف الاستخراج تزداد نسبة المخزون المعدني المصنف على أنه خام، لكنه من الواضح أن العكس هو الصحيح أيضاً، وقد يتوقف المنجم الأرضي عن الإنتاج بسبب:

• استنفاد المعدن من طبقات الأرض.

• انخفاض الأسعار أو ارتفاع التكاليف لدرجة أن ما كان في السابق خاماً أصبح الآن معدناً فقط.

التاريخ الجيولوجي لعملية التعدين:

تشير الاكتشافات الأثرية إلى أن التعدين تم في عصور ما قبل التاريخ، وعلى ما يبدو كان أول معدن تم استخدامه هو الصوان، والذي بسبب نمط التكسير المحاري يمكن تقسيمه إلى قطع ذات حواف حادة والتي كانت مفيدة مثل الكاشطات والسكاكين ورؤوس الأسهم، كما أنه خلال العصر الحجري الحديث أو العصر الحجري الجديد (حوالي 8000 إلى 2000 قبل الميلاد) غرقت أعمدة يصل عمقها إلى 100 متر (330 قدم) في رواسب طباشيرية ناعمة في فرنسا وبريطانيا من أجل استخراج حصى الصوان الموجودة هناك.

تم استخدام معادن أخرى مثل المغرة الحمراء ومعدن النحاس الملكيت كأصباغ، وتم غرق أقدم منجم معروف تحت الأرض في العالم منذ أكثر من 40 ألف عام في بومفو ريدج في جبال نغوينيا سوازيلاند لتنقيب عن المغرة المستخدمة في مراسم الدفن ولون الجسم.

كان الذهب من أوائل المعادن المستخدمة في علم الجيولوجيا، حيث تم استخراجه من مجاري الرمل والحصى، حيث ظهر كمعدن نقي بسبب استقراره الكيميائي، وعلى الرغم من أن النحاس أقل استقراراً كيميائياً إلا أنه يوجد في الشكل الأصلي وربما كان المعدن الثاني الذي يتم اكتشافه واستخدامه، كما تم العثور على الفضة أيضاً في حالة نقية وفي وقت واحد كانت قيمتها أعلى من الذهب.

وفقاً للمؤرخين الجيولوجيين كان المصريون يقومون بتعدين النحاس في شبه جزيرة سيناء منذ 3000 سنة قبل الميلاد، على الرغم من أن بعض البرونز (النحاس المخلوط بالقصدير) يرجع تاريخه إلى 3700 قبل الميلاد، ويرجع تاريخ الحديد إلى 2800 قبل الميلاد تعود السجلات المصرية لصهر خام الحديد إلى عام 1300 قبل الميلاد، وتم العثور على الرصاص في أطلال طروادة القديمة وقد تم إنتاجه منذ 2500 قبل الميلاد.

أهم استخدامات التعدين الأرضي خلال تاريخ الأرض:

• كان من أقدم الأدلة على البناء بالحجر المحفور بناء (2600 قبل الميلاد) الأهرامات العظيمة في مصر وأكبرها (خوفو) يبلغ طوله 236 متر (775 قدم) على طول جوانب القاعدة وتحتوي على ما يقرب من 2.3 مليون كتلة من اثنين أنواع الحجر الجيري والجرانيت الأحمر، ويُعتقد أن الحجر الجيري قد تم استخراجه عبر نهر النيل، وتم نقل الكتل التي يصل وزنها إلى 15000 كجم (33000 رطل) لمسافات طويلة ورفعت في مكانها وتظهر قطعاً دقيقاً نتج عنه بناء دقيق.

• واحدة من العلاجات المبكرة الأكثر اكتمالا لأساليب التعدين في أوروبا هي من قبل العالم الألماني جورجيوس أجريكولا في كتابه (De re metallica)، ويصف الطرق التفصيلية لقيادة الأعمدة والأنفاق.

• تم تعدين الخام الصخري والصخور بشق الأنفس باستخدام معول وخام أصعب باستخدام معول ومطرقة أو أسافين أو حرارة (إشعال النار)، واشتمل وضع النار على تكديس كومة من جذوع الأشجار على وجه الصخرة وحرقها، ثم أدت الحرارة إلى إضعاف أو كسر الصخور بسبب التمدد الحراري أو العمليات الأخرى اعتمادًا على نوع الصخور والركاز، وقد تم استخدام أنظمة التهوية والضخ الخام عند الضرورة.

• ترافقت التطورات في الحفر مع تحسينات في طرق التحميل، من التحميل اليدوي بالمجارف إلى أنواع مختلفة من اللوادر الميكانيكية.

• تطورت وسائل النقل من نقل البشر والحيوانات إلى سيارات التعدين التي تجرها القاطرات والناقلات الكهربائية وإلى المركبات ذات الإطارات المطاطية ذات السعة الكبيرة.

• حدثت تطورات مماثلة في التعدين السطحي، مما أدى إلى زيادة حجم الإنتاج وخفض تكلفة المنتجات المعدنية وغير المعدنية بشكل كبير.

• يتم استخدام آلات التجريد الكبيرة ذات عجلات الحفر في تعدين الفحم السطحي في أنواع أخرى من المناجم المفتوحة.

• كان تدفق المياه مشكلة مهمة للغاية في التعدين تحت الأرض حتى اخترع جيمس وات المحرك البخاري في القرن الثامن عشر، وبعد ذلك يمكن استخدام المضخات التي تعمل بالبخار لإزالة المياه من المناجم العميقة في اليوم، وكانت أنظمة الإضاءة المبكرة من نوع اللهب المكشوف، وتتكون من الشموع أو مصابيح الفتيل الزيتية، لكن في النوع الأخير تم حرق زيت الفحم أو زيت الحوت أو الكيروسين.

• ابتداءً من تسعينيات القرن التاسع عشر تم توليد غاز الأسيتيلين القابل للاشتعال عن طريق إضافة الماء إلى كربيد الكالسيوم في قاعدة المصباح ثم إطلاقه من خلال نفاثة في وسط عاكس معدني لامع، وجعلت شرارة الصوان هذه ما يسمى بمصابيح الكربيد سهلة الإضاءة.

• في الثلاثينيات من القرن الماضي بدأت مصابيح الغطاء التي تعمل بالبطاريات في دخول المناجم، ومنذ ذلك الحين تم إجراء تحسينات مختلفة في شدة الضوء وعمر البطارية والوزن.

التنقيب والاستكشاف المعدني عبر تاريخ الأرض:

تستخدم تقنيات مختلفة في البحث عن الرواسب المعدنية وهو نشاط يسمى التنقيب، وبمجرد إجراء الاكتشاف يتم استكشاف الخاصية التي تحتوي على وديعة، والتي تسمى الاحتمال لتحديد بعض الخصائص الأكثر أهمية للإيداع، ومن بينها حجمها وشكلها واتجاهها في الفضاء والموقع، فيما يتعلق بالسطح فضلاً عن جودة المعادن وتوزيع الجودة وكميات هذه الصفات المختلفة.

في البحث عن المعادن الثمينة اعتمد المنقب التقليدي في المقام الأول على المراقبة المباشرة للتمعدن في النتوءات والرواسب والتربة، وعلى الرغم من أن المراقبة المباشرة لا تزال تمارس على نطاق واسع، إلا أن المنقب الحديث يستخدم أيضاً مجموعة من الأدوات الجيولوجية والجيوفيزيائية والجيوكيميائية لتوفير مؤشرات غير مباشرة لتقليل نصف قطر البحث.

الهدف من التقنيات الحديثة هو العثور على الشذوذ، أي الاختلافات بين ما يتم ملاحظته في موقع معين وما يمكن توقعه عادة، وتوفر الصور الجوية والأقمار الصناعية وسيلة واحدة لفحص مساحات كبيرة من الأراضي بسرعة وتحديد التمعدنات، التي يمكن الإشارة إليها من خلال الاختلافات في البنية الجيولوجية أو في الصخور والتربة ونوع الغطاء النباتي، لكن في التنقيب الجيوفيزيائي تُستخدم الطرق المغناطيسية والكهربائية والزلزالية والإشعاعية للتمييز بين خصائص الصخور، مثل الكثافة والقابلية المغناطيسية والمغنطة الطبيعية المتبقية والتوصيل الكهربائي وسماحية العزل والنفاذية المغناطيسية وسرعة الموجة الزلزالية والانحلال الإشعاعي.

في التنقيب الجيوكيميائي يعتمد البحث عن الحالات الشاذة على القياس المنهجي للعناصر النزرة أو الخصائص المتأثرة كيميائياً، ويتم جمع واختبار عينات من التربة ورواسب البحيرة والمياه والرواسب الجليدية والصخور والغطاء النباتي والدبال والأنسجة الحيوانية والكائنات الدقيقة والغازات والهواء والجسيمات واختبارها حتى يمكن تحديد التركيزات غير العادية.