Georisorse e geologia degli idrocarburi

Georisorse

Stephen E. Kesler & Adam C. Simon (2015) Mineral Resources, economics and environment. Cambridge University Press.

Il termine georisorsa è un neologismo che parte dal termine risorsa a cui attacchiamo il prefisso geo. Una risorsa è un qualsiasi mezzo che ponga in condizioni di affrontare e superare una difficoltà di ordine materiale o spirituale. Nella lingua inglese non c’è il termine georisorsa ma esiste il termine congiunto natural resources. Vanno considerate tutte quelle cose come minerali, foreste, carbone che esistono in un determinato ambiente e possono essere sfruttate dall’uomo (Cambridge Dictionary).

Le georisorse sono delle sostanze naturali alle quali viene assegnato un valore e che possono essere utilizzate. Quando si parla di “valore” non ci si riferisce solo al valore di mercato, commerciale, in quanto una georisorsa può avere un basso valore di mercato ma un altissimo valore sociale. Per esempio una georisorsa importante è l’acqua, tuttavia da un punto di vista merceologico l’acqua ha poco valore, ha un valore di mercato praticamente nullo alla fonte. Il suo è un valore sociale, è un valore strategico per un paese. L’altro riferimento importante che emerge dalla definizione di georisorsa è “utilizzo”.

Tipi di georisorse

• Suoli (risorsa agricola)
• Acqua (risorsa idrica)
• Minerali e rocce (risorse minerali): minerali metallici, minerali industriali, rocce, fonti energetiche minerali.
• Ambiente e paesaggio (risorse ambientali) risorse non tangibili perché rappresentano una fonte estremamente ampia
• Fonti energetiche non minerali in alcuni casi sono tangibili, in altri no, come quando la produzione di energia ci arriva dallo sfruttamento di sorgenti che non governiamo direttamente (es: energia solare o energia eolica)

Classificazione delle risorse energetiche e minerali

La classificazione delle risorse energetiche e minerali di Craig et al., 1996 divide le risorse in tre macro contenitori, quali risorse metalliche, risorse energetiche e risorse non metalliche, a loro volta suddivisi in altri contenitori. Per esempio nel macro contenitore delle risorse metalliche ha messo i metalli abbondanti e i metalli poco disponibili/scarsi, come il rame; i metalli poco disponibili si ritrovano principalmente sotto forma di solfurei e si trovano negli ambienti idrotermali, che sono molto meno presenti in natura rispetto a quelli dei metalli abbondanti.

Le risorse minerali non metalliche vanno ad individuare diversi sotto contenitori, quali quello dei combustibili fossili, i minerali industriali, i minerali dai quali andiamo a fabbricare i materiali di costruzione, come i cementi, ma anche le acque e i suoli.

Il terzo contenitore è quello che riguarda le risorse energetiche, qui nei sotto contenitori ci sono ancora i combustibili fossili ma qui si intende la combustione cioè bruciare i combustibili fossili per trasferire energia (mentre nel caso precedente si intendevano come fonti da cui si crea per esempio la plastica), c’è anche il sotto contenitore dell’energia nucleare (minerali per la fissione nucleare come l’Uranio, ma anche minerali che servono per costruire moduli che si utilizzano nei reattori nucleari come il Berillo o il Litio), l’energia geotermica, l’energia solare derivata (non solo nel senso stretto del termine, come quella derivante dai pannelli solari in silicio, ma comprende tutte quelle opportunità che derivano dal sole), e l’energia che utilizza il movimento senza fine che le acque dei mari subiscono dai cicli lunari (è un tipo di energia inesauribile e sfrutta il moto dei sistemi meccanici che in risposta al movimento trasformano l’energia prima in energia meccanica e poi in energia elettrica). Questi macro contenitori, con i rispettivi sotto contenitori, secondo Craig, raccolgono le principali georisorse utilizzabili.

Consumo delle georisorse nel tempo

Per comprendere come l’uomo governa l’utilizzo delle georisorse diventa molto utile guardare nel corso del tempo quello che è accaduto e che continua ad accadere in termini di consumo. Il consumo delle materie prime aumenta col progredire del tempo, in particolare l’aumento maggiore in America, fra gli anni 1900 e 1995, si è avuto nei materiali da costruzione e nei minerali industriali. Questo potrebbe essere causato da fattori come l’aumento demografico, e la conseguente capacità degli uomini di acquistare un edificio diventa più facile.

Questi grafici ci aiutano anche a capire dal punto di vista delle grandi trasformazioni sociali nel corso del tempo, per esempio in corrispondenza della WWI c’è il crollo del consumo delle materie prime ma non critico, ciò che salta subito all’occhio è il calo corrispondente alla Grande Depressione americana. Altro picco negativo è quello della WWII, anche se meno impattante della crisi economica del 29 perché è comunque agganciata ad una fase di crescita. Negli anni 70 c’è stata la crisi del petrolio, gli effetti legati alla non disponibilità di georisorse spesso non dipendono dall’effettiva disponibilità naturale ma dalle scelte commerciali degli uomini come in questo caso. In ultimo negli anni 90 invece durante la recessione americana si vede un altro picco negativo sempre causato da un blocco delle filiere.

Consumo per capita di minerali negli Stati Uniti (2006)

Elenco del consumo per capita di minerali negli Stati Uniti (2006) elevata è la quantità di sale, questo perché la maggioranza del sale è utilizzato e sta alla base dell’industria chimica del cloro. Il più grande consumo di fosfati in un paese è legato ai fertilizzanti agricoli, per questo anche la quantità di fosfati è elevata.

Produzione di minerali industriali in Italia (2002)

Report di un numero selezionato in valore assoluto di minerali industriali in Italia (2002) elevatissima produzione di feldspati (1.8 Mt), di sale, ma soprattutto di argille da cemento. Il nostro paese non produce metalli, invece produce un grande numero di materie prime finalizzate alla produzione di materiali da costruzione. Feldspati, Kaolino e minerali refrattari sono finalizzati alla produzione di materiali ceramici.

Se tiriamo via tutti questi materiali rimangono solo alcuni minerali industriali come sale, fluorite, barite, bentonite, potassa (utilizzato nella produzione di fertilizzanti), e materiali da costruzione come gli asfalti. Da questo report possiamo osservare come la nostra produzione sia molto diversa rispetto a quella degli Stati Uniti; noi non abbiamo i metalli né i combustibili fossili. Abbiamo il quadro di un’attività estrattiva quindi molto specializzata verso il mondo delle costruzioni e verso il mondo dell’industria, soprattutto dell’industria chimica.

Questo non vuol dire che in Italia non ci siano mai state attività estrattive di metalli, anzi pensiamo all’Etruria, terra ricca di solfati, o anche ai giacimenti di bauxite nei pressi di Cogne. Nella maggioranza dei casi non abbiamo smesso di estrarle perché la materia prima era finita, ma abbiamo smesso perché economicamente, per la crescita della cultura ambientale e per la crescita dell’attenzione per la sicurezza non ci conveniva più, quindi abbiamo iniziato ad importare.

Divisione dei metalli

• Metalli ferrosi, che fanno in realtà riferimento assoluto al ferro, metalli che generano leghe con il Fe, utilizzati per le leghe di acciaio speciale: manganese, cromo, nichel etc.
• Metalli leggeri, ossia quei metalli che hanno una densità molto inferiore a quella del Fe, fra questi ci sono l’alluminio, il magnesio, il titanio e lo zirconio, e a volte vengono utilizzati per fare delle leghe fra di loro. Per esempio Al-Mg è una lega utilizzata per gli infissi; sono anche utilizzati nel comparto aerospaziale.
• Metalli di base non-ferrosi, cioè tutti quei metalli molto utilizzati che però non hanno nulla a che fare con il Fe, come il rame, lo zinco, l’antimonio etc; in natura questi si trovano spesso sotto forma di solfuri e si usano per delle leghe fra di loro.
• Elementi in ambito nucleare: sono degli elementi che servono sia come combustibile nucleare sia per la creazione di device utilizzati nel comparto nucleare, come il berillo.
• Metalli preziosi: oro, argento, platino. Sono metalli preziosi perché sono rari e perché hanno caratteristiche che altri metalli non hanno, come l’inerzia chimica, l’elevatissimo punto di fusione nel caso del platino, e la resistenza all’erodibilità.

Minerali non metallici

In letteratura tecnica nei minerali non metallici troviamo sia dei minerali veri e propri sia dei materiali che sono dal punto di vista petrografico delle rocce, come la bauxite e le arenarie. Le diverse classi di giacimenti minerari sono individuate in base ai principali processi genetici che portano alla formazione dei giacimenti stessi. Suddividiamo i grandi processi di messa in posto di giacimenti in processi ignei, processi metamorfici e processi sedimentari.

Alle volte ci sono condizioni che hanno visto processi ignei seguiti da processi metamorfici, quindi possono esserci stati più processi che si sono susseguiti nel tempo dando così origine a giacimenti di origine complessa.

I processi responsabili della formazione di un giacimento possono avere controllo geologico o temporale, spesso quello temporale non è in alternativa ma vanno di pari passo. L’associazione di controllo geologico e temporale dà luogo ad una distribuzione geografica dei depositi spesso fortemente disomogenea.

Definizione di riserva

Il termine riserva indica la quantità disponibile di una risorsa naturale, accertata mediante prospezioni e studi, che può essere sfruttata economicamente dall’uomo mediante tecnologie esistenti. Da questa definizione si intuisce come la tecnologia esistente diventi importante, ma anche che questa risorsa deve dare profitto. Il termine risorsa in generale indica la presenza di un minerale in un determinato luogo, ambiente geologico, con una concentrazione media superiore rispetto alla concentrazione media della crosta terrestre, ma nel concetto di risorsa generale non abbiamo quei paletti che ci sono nella definizione di riserva. Quindi una risorsa diventa una riserva nel momento in cui posso disporre di una tecnologia in grado di estrarla e utilizzarla e posso avere un mercato che mi permette di farne profitto.

La variabile tempo permette di trasformare una risorsa in riserva e viceversa, questo perché le tecnologie variano nel tempo e di conseguenza anche i costi di estrazione, la lavorazione, gli impieghi, e il valore in funzione di domanda e offerta (risorsa ↔ riserva).

Classificazione delle riserve

• Riserve certe: rappresentano le quantità stimate di risorse, sulla base di dati geologici robusti, con ragionevole certezza (probabilità >90%) in base a condizioni tecniche, contrattuali, economiche ed operative esistenti al momento considerato.
• Riserve probabili: rappresentano le quantità di risorse che potranno essere recuperate con ragionevole probabilità (probabilità >50%). Gli elementi di incertezza residua possono riguardare l’estensione o altre caratteristiche del giacimento (rischio minerario), l’economicità (alle condizioni del progetto di sviluppo), l’esistenza o adeguatezza del sistema di trasporto e/o del mercato di vendita.
• Riserve possibili: sono le quantità di risorse che si stima di poter recuperare con un grado di probabilità decisamente più contenuto (<50%) rispetto a quello delle riserve probabili, cioè che presentano grado di economicità inferiore rispetto al limite stabilito.

L’aumento del livello di incertezza sposta queste riserve dall’essere certe, all’essere probabili e infine all’essere possibili.

Giacimento e deposito minerale

Il termine giacimento (ore deposit), che è legato a doppio filo al concetto di riserva, è diverso dal termine deposito minerale (mineral deposit), il quale è legato a doppio filo col concetto di risorsa. Un giacimento è un volume di roccia con caratteristiche tali da renderlo utile per l’estrazione, affinché sia utile devono verificarsi delle condizioni: il giacimento deve contenere materiali che hanno un valore, soprattutto di mercato, che siano presenti in volumi consistenti, e che i materiali possano essere estratti dalla roccia con tecnologie esistenti.

Ritornano i concetti di tecnologie esistenti e di mercato, ma qui parliamo di volumi di roccia. Il deposito minerale, invece, è legato al concetto di risorsa perché è comunque un volume di roccia che presenta concentrazioni anomale rispetto alla media terrestre di un determinato minerale ma che non può essere sfruttato economicamente, perché i volumi sono insufficienti, o per tenori insufficienti, o per condizioni tecniche di coltivazione sono non economiche (es: costi troppo alti che non mi permettono di trarne profitto), o perché la mineralogia non è idonea, come nel caso della separazione del minerale utile dalla ganga che diventa troppo difficile perché cambia la natura dei minerali della ganga.

Concetto di tenore e cut-off

Il tenore indica la concentrazione in ambito giacimentologico, la quale è sempre un rapporto fra una quantità scalare, come una massa, e un’altra variabile scalare, che può essere ancora una massa oppure un volume. La soglia a cui devo definirmi per farne profitto si chiama cut-off, che è proprio il tenore limite del deposito in minerale utile al di sotto del quale il deposito stesso non è coltivato o il materiale estratto viene mandato direttamente in discarica, cioè al di sotto del quale non riesco a trarne profitto.

Rappresenta ciò con cui devo compararmi, se potrò o meno accendere la mia attività estrattiva. Se la concentrazione minerale utile è al di sopra del cut-off è un giacimento, se è al di sotto è un deposito minerario.

Il concetto di cut-off è mutabile nel tempo perché variano le tecnologie disponibili e varia il valore di mercato, cioè cambia la domanda-offerta nel tempo di quel determinato minerale, ma anche perché alcuni materiali non sono disponibili all’infinito o anche perché potrebbero essere scoperti nuovi giacimenti con concentrazioni più elevate. Anche l’instabilità geopolitica può causare grandi scossoni alla disponibilità di materie prime, non perché sono finite, ma perché c’è la volontà di non distribuirle più, che quindi va ad interferire su quello che sarebbe un mercato sano.

Per esempio per l’antica provincia metallogenica etrusca possiamo contare una quindicina di transizioni da depositi a giacimenti, da questo possiamo capire come il contesto sociale e politico e la sua modifica nel tempo sia abbastanza perché dei depositi diventino giacimenti e viceversa; adesso sono depositi perché è aumentata la coscienza ambientale, i costi sociali ed economicamente ci conviene maggiormente importarli.

Ganga e minerali utili

La ganga è l’insieme di minerali normalmente associati in paragenesi al minerale utile che andiamo a cercare, ma sono minerali non utilizzabili. Rappresenta lo scarto, di cui ci dobbiamo liberare, e l’ostacolo, perché spesso il minerale utile può essere allontanato dalla ganga solo attraverso processi complessi e spesso protocolli chimici molto invasivi per l’ambiente.

I principali minerali utili in una ganga spesso sono i metalli che hanno dei componenti chimici che vogliamo tirar fuori, separare. I minerali utili di ferro sono diversi fra loro, sono legati ad ambienti diversi e hanno percentuali di Fe differenti: magnetite 72% di Fe, ematite 70%, ossidi-idrati di Fe tra cui la Limonite che ne contiene intorno al 60%, carbonati come la Siderite che contiene molto meno Fe in percentuale vicina al 48%. L’attenzione maggiore è chiaramente posta verso la magnetite e ematite.

La magnetite è presente nell’ambiente magmatico plutonico, mentre la siderite la si forma ed è comune in ambiente sedimentario ed idrotermale. Gli spinelli sono minerali, poiché ossidi, che hanno necessità di una serie di condizioni chimico-fisiche particolari, nel caso di magnetite e cromite sono legate alle rocce di mantello. A partire da condizioni tipiche come peridotiti o gabbri, esse per una serie di condizioni si arricchiscono in Fe o Cromo, e le troviamo in quei complessi basici, spesso le troviamo associate a complessi ofiolitici, che non sono così ben rinvenibili a giorno in natura. Sull’arco alpino nella zona di Cogne abbiamo una fascia di complessi ofiolitici che contengono questi minerali.

La Siderite invece è molto più disponibile; nella fascia pre-alpina sono stati sfruttati giacimenti di Siderite dove i carbonati presentavano arricchimenti interessanti in Siderite. Se voglio ottenere del Fe dai carbonati è relativamente facile perché basta decarbonatizzare il carbonato scaldandolo, così da ottenere il ferro metallico; da un sulfureo di Fe invece grazie alla combustione posso ottenere ferro. Invece scaldando una magnetite non ottengo nulla, quindi nell’antichità non erano utili come minerali di Fe. I forni moderni inducono una redox ma portando nel sistema carbonio, si usano infatti degli elettrodi a grafite, perché introducendo carbonio nel sistema l’O si legherà al carbonio dando CO₂ lasciando poi il ferro metallico.

Solfuri e solfati si ritrovano in ambiente idrotermale, di fumarola, post-vulcanici, in cui c’è un importante ruolo dei fluidi caldi, proprio per la loro capacità di essere trasportati da fluidi e poi precipitare.

Minerali utili di rame

I minerali utili di rame sono il rame nativo, ma è estremamente raro quindi poco utile per lo sfruttamento, solfato di rame come la Calcopirite (?), e i carbonati che non contengono una frazione molare molto importante ma comunque di nota, come la Malachite e in parte l’Azzurrite.