Georisorse di minerali industriali e rocce ornamentali

Georisorse di minerali industriali e rocce ornamentali

Introduzione

Lo sviluppo della società e del livello di vita dell’uomo è strettamente dipendente dalla disponibilità di risorse geologiche. Queste possono essere suddivise in tre grandi gruppi:

• Risorse energetiche:
  • Combustibili fossili (petrolio, carbone, metano, bitume);
  • Combustibili nucleari (uranio, torio, deuterio);
  • Energia solare, eolica, geotermica, tidale;
• Risorse idriche;
• Risorse minerarie:
  • Risorse di minerali metallici:
    • Metalli di largo consumo (>90%) Fe, Al;
    • Metalli di medio consumo (>9%) Cu, Zn, Pb;
    • Metalli di basso consumo (<1%) Nb, Ta, Si;
  • Risorse di minerali non metallici e rocce industriali:
    • Minerali per i fertilizzanti, refrattari, coloranti, fondenti, ecc: feldspati, zolfo, silicati, ecc…;
    • Minerali da costruzione: cemento, sabbie, marmi, ecc…;
    • Acqua;
    • Suolo.

Tutte le risorse geologiche, ad eccezione di quelle idriche, non sono rinnovabili. Ciò comporta il loro progressivo esaurimento nel tempo e la continua ricerca di nuove fonti di approvvigionamento. Per georisorse (o risorse minerarie) si intendono corpi solidi, liquidi o gassosi della geosfera, geologicamente identificati o da identificare, in cui si trovano le sostanze minerarie utili. Sono risorse naturali non rinnovabili e potenzialmente esauribili. La porzione delle georisorse identificate che sono suscettibili di un’attività estrattiva economica sono note col nome di riserve minerarie che sono fisicamente (geologicamente) localizzate in giacimenti minerari.

Valutazione delle georisorse

Lo sfruttamento di un materiale inizia quando esso viene asportato dal luogo in cui si trova in condizioni naturali, lo si suddivide in massi e frammenti (dressing) e lo si trasporta altrove per ulteriori lavorazioni. Tali operazioni prendono il nome di coltivazione di un giacimento. L’area nella quale si compie l’operazione di prelievo viene chiamata cava o miniera. Secondo il senso comune, si pensa alle cave come luoghi di coltivazione a cielo aperto, mentre si pensa alle cave come luoghi di coltivazione in sotterraneo. In realtà la distinzione tra cava e miniera è puramente legislativa: la legge n°6 del ’57 stabilisce che i materiali oggetto di miniera sono di competenza statale e sono soggetti a concessione, cioè il materiale appartiene allo Stato ed è quindi regolato dal Diritto Pubblico, i materiali oggetto di cava, invece, rientrano nell’ambito del Diritto Privato e sono di competenza delle Regioni.

Nella stessa legge vengono elencati i materiali oggetto di cava e di miniera:

• Miniera – metalli, grafiti, pietre preziose, idrocarburi, ecc…
• Cava – rocce ornamentali, sabbie, ghiaie, brecce, ecc…

I principali passi (successione ideale delle fasi dell’attività estrattiva) per l’apertura di una cava o di una miniera sono:

1. Esplorazione mineraria per individuare il giacimento;
2. Studio per valutarne la validità commerciale (vedi sotto)*;
3. Costruzione delle infrastrutture della miniera o cava;
4. Avvio dell’attività estrattiva;
5. Dressing (processing) – operazioni che determinano le dimensioni (per macinazione o frantumazione) della roccia e la separazione in determinate classi granulometriche;
6. Estrazione del metallo dai concentrati; Solo per minerali metallici.
7. Raffinazione e purificazione del metallo;
8. Trasporto;
9. Vendita del prodotto.

*Per valutare una georisorsa bisogna considerare alcuni fattori:

1. Tenore (grade) – concentrazione di un certo elemento in una roccia (% in peso, p.p.m., p.p.b.);
2. Cut-off grade – tenore minimo affinché un giacimento sia economicamente sfruttabile;
3. Head grade – tenore in corrispondenza delle operazioni di dressing;
4. Co-prodotti (by-products) – minerali associati a quello principalmente sfruttato (Ag nelle miniere a Zn-Pb);
5. Prezzo – parametro governato dalla domanda e dall’offerta che dipende dalla quantità di riserve disponibili;
6. Forma del minerale/associazioni di minerali – influenza la facilità con la quale questo può essere separato dagli altri;
7. Dimensione e forma dei granuli – influenzano la possibilità di portare a termine con successo i processi di separazione e concentrazione;
8. Presenza di sostanze indesiderate – si possono trovare sia nel minerale che nella ganga (solfuri di As nei giacimenti a Cu);
9. Dimensione, forma e natura dei depositi – aspetti che si riflettono sulla facilità con la quale il deposito potrà essere coltivato (depositi di forma regolare e superficiali sono più facilmente coltivabili di quelli in sotterraneo);
10. Stripping ratio (depositi coltivati a cielo aperto) – rapporto tra lo spessore della roccia di copertura e lo spessore della roccia mineralizzata;
11. Ubicazione – il deposito deve essere collocato in un posto facilmente raggiungibile in cui valga la pena costruire tutte le infrastrutture necessarie ai lavoratori;
12. Capitale iniziale – grandi operazioni minerarie richiedono grandi investimenti e forti esposizioni finanziarie;
13. Aspetti ambientali – comportano spese aggiuntive per prevenire i danni ambientali derivanti dall’attività mineraria;
14. Tassazione – pagamento dei diritti minerari (royalties) allo Stato e/o agli enti locali;
15. Fattori politici – la gran parte delle compagnie minerarie non investe in nazioni politicamente instabili.

Sfruttamento di un minerale

Lo sfruttamento di un minerale (o materiale) dipende da quattro fattori:

1. Domanda economica – legato allo sviluppo della società che comporta il consumo di sempre maggiori quantità di minerali. Ne consegue il pericolo di un esaurimento delle risorse e quindi la necessità di ricorrere a risorse alternative (o più costose);
2. Disponibilità geologica – possibilità di soddisfare la richiesta del mercato con le risorse disponibili o con quelle che si possono reperire;
3. Disponibilità politica – possibilità di disporre sul territorio nazionale di risorse atte a soddisfare la domanda. Nella maggior parte dei casi i paesi principali detentori di riserve minerarie non sono forti utilizzatori, al contrario i paesi che utilizzano massicciamente queste risorse non sono importanti produttori (fatta eccezione per USA, Russia e Cina). I minerali e le rocce industriali escono da questa logica in quanto sono reperibili in quasi tutti i paesi;
4. Disponibilità ambientale – rappresenta il problema di maggiore attualità che riguarda il prelievo delle risorse minerarie. I fattori di possibile impatto ambientale sono vari:
   • Impatto legato all’attività estrattiva (paesistico);
   • Impatto legato alla lavorazione (discariche minerarie);
   • Impatto legato all’utilizzo dei prodotti (effetti sulla salute umana).

Minerali industriali

I minerali industriali sono minerali o associazioni di minerali (quindi rocce), aventi un certo valore economico ed ampia diffusione, dai quali non si estraggono né metalli, né combustibili né gemme, e le cui caratteristiche li rendono validi per impieghi in campo industriale.

I minerali industriali, prima di essere utilizzati, devono essere caratterizzati. La caratterizzazione consiste in analisi di una serie di caratteristiche della materia prima che devono essere compatibili con le specifiche richieste per l’impiego previsto.

La caratterizzazione prevede:

• Analisi classiche – composizione chimica, mineralogica, granulometria, ecc…;
• Analisi dedicate per certi impieghi – bianchezza della materia prima da utilizzare nella produzione della carta, punto di bianco per i materiali da usare nella produzione di porcellana, ecc…

Dalle analisi si può capire se sia possibile utilizzare un materiale teoricamente inadatto miscelandolo con un altro avente caratteristiche complementari. Le analisi sono anche utili per prevedere l’insorgere di problemi legati all’utilizzo di una georisorsa con certe caratteristiche.

Classificazione dei minerali industriali

I minerali industriali vengono classificati in due modi:

1. In base al tipo di impiego;
2. Su base genetica.

In base al tipo di impiego vengono classificati in 11 gruppi:

• Abrasivi, come quarziti, arenarie e sabbie silicee;
• Materiali ceramici, come caolino, ceneri e calcari;
• Materiali per l’industria chimica per la produzione di sali, acidi ed altri composti, come barite, dolomite, bauxite, ecc…;
• Materiali da costruzione (aggregati, isolanti, leganti, lapidei ornamentali), come marmi, sabbie, argille, conglomerati, ecc…;
• Minerali per usi elettronici ed ottici, come quarzo e titanite;
• Fertilizzanti;
• Fillers, filtri ed assorbenti, come bentonite e diatomite;
• Fondenti;
• Materiali per l’industria del vetro, come calcari, ceneri sodiche, quarzo, ecc…;
• Minerali per pigmenti;
• Refrattari.

Su base genetica, i minerali industriali vengono classificati in 7 gruppi:

• Minerali in depositi evaporitici (cloruri, solfati e borati);
• Minerali di ganga associati a solfuri (fluorite e barite);
• Minerali in rocce ignee (feldspati e zircone in pegmatiti e graniti, olivina in peridotiti, nefelina nelle sieniti, diamante nelle kimberliti);
• Minerali di origine metamorfica (cianite, andalusite e pirofillite in rocce ricche di Al, talco ed amianto in rocce ricche di Mg, wollastonite in rocce carbonatiche impure, grafite, granati e corindone in altre rocce metamorfiche);
• Minerali in depositi residuali (bauxite);
• Minerali in rocce carbonatiche (dolomite);
• Minerali di alterazione (zeoliti, argille e magnesite).

Materiali da costruzione

I materiali da costruzione vengono suddivisi in quattro categorie in base al loro utilizzo:

1. Inerti (aggregate);
2. Leganti;
3. Materiali per strutture portanti e rivestimenti (pietre ornamentali);
4. Ceramici tradizionali e speciali.

Le proprietà di questi materiali sono anch’esse divise in quattro categorie:

1. Proprietà fisico-meccaniche;
2. Proprietà termiche;
3. Proprietà chimiche;
4. Proprietà elettriche.

Inerti

Gli inerti (o aggregate) sono materiali naturali, estratti di norma in cave a cielo aperto, utilizzati nell’industria delle costruzioni per assemblare massicciate, rilevati stradali, sbarramenti a gravità o per essere miscelati col catrame, il cemento ed altri leganti. Tra gli inerti rientrano anche alcuni prodotti artificiali, ottenuti dalla trasformazione di materiali naturali, che si caratterizzano per avere particolari caratteristiche (bassa densità, elevato potere isolamento acustico e termico). Tra questi sono molto utilizzati la perlite e la vermiculite che sono utilizzati per la produzione di calcestruzzi ed intonaci.

La perlite è una roccia vulcanica di colore variabile tra il grigio ed il rosa. Ha la capacità di espandere il proprio volume fino a 20 volte quello originale quando viene portata a temperature prossime al suo punto di rammollimento. L’espansione è dovuta alla presenza di acqua intrappolata nella porosità della roccia. Quando viene sottoposta a temperatura comprese tra 850-1000°C la roccia si espande per la vaporizzazione dell’acqua. Si formano così delle bolle che conferiscono alla roccia espansa un’elevata leggerezza con ottime proprietà fisiche come ad esempio un’elevata capacità isolante.

La presenza di porosità conferisce alla roccia un elevato potere traspirante (per la porosità aperta) ed un’elevata impermeabilità all’acqua nel nucleo del granulo (per la porosità chiusa). La perlite espansa è un vetro siliceo ed è un prodotto stabile e chimicamente inerte. (Colore: bianco; Pto di rammollimento: 850-1100°C; Pto di fusione: 1250-1350°C)

La vermiculite è un fillosilicato di magnesio, ferro trivalente ed alluminio con ossidrili ed acqua. La struttura cristallina è caratterizzata dalla sovrapposizione di foglietti pirofillitici tra i quali sono intercalati strati di molecole d’acqua coordinate dallo ione magnesio. La vermiculite, riscaldata rapidamente a temperature di circa 300°C perde l’acqua che si trasforma in vapore, si sfoglia e si espande fino a 25 volte il volume originario in direzione perpendicolare ai piani di sfaldatura. Può contenere tracce di amianto. (Pto di rammollimento: 1260°C, Pto di fusione: 1315°C)

Caratterizzazione degli inerti

Per definire prioritariamente la tipologia di impiego e quindi l’opera in cui gli inerti verranno utilizzati è indispensabile caratterizzare la loro qualità.

Inerti/Leganti

Quando utilizzati con leganti è necessario accertare la capacità di adesione (stripping) tra le due componenti. Questa dipende da vari fattori come gli aspetti mineralogici, chimici e fisici. Alcuni inerti hanno una maggiore affinità per l’acqua che non per l’asfalto e tendono a staccarsi, quando esposti agli atmosferili, deteriorando il manufatto. Altri inerti utilizzati con malte cementizie possono reagire con gli alcali presenti nel cemento generando fasi idrate che causano delle forze espansive con la formazione di fratture nel manufatto e quindi la perdita di coesione.

Si verificano le seguenti reazioni: → → Particolarmente sensibili a questa reazione sono: calcari silicei, scisti e rocce vulcaniche vetrose.

Inerti/Granulometria

La granulometria vincola molti aspetti che riguardano non solo l’esecuzione dell’opera ma anche la sua bontà. Infatti, determina la lavorabilità e messa in posto degli impasti, la durata, la stabilità e le caratteristiche fisico-meccaniche del manufatto. Le granulometrie grossolane riducono la lavorabilità dell’impasto, mentre quelle fini ne condizionano la stabilità e la durata. La migliore granulometria è quella che produce un manufatto caratterizzato dalla massima densità, ossia in manufatto in cui la frazione fine riempie i vuoti creati dalla giustapposizione delle particelle grossolane e che, contemporaneamente, lasciano lo spazio necessario per il legante. Un’equazione molto utilizzata che fornisce granulati che danno la massima densità è quella di Fuller & Thompson (1907):

=()

dove:

• P è la percentuale del più fine che deve attraversare il setaccio considerato;
• d è la dimensione del granulo preso in considerazione;
• D è la dimensione del granulo più grosso dell’aggregato;
• n è un parametro che modula la finezza o la grossolanità del granulato (per ~0,5 si ottiene il massimo della densità).

Inerti/Permeabilità

Le particelle fini sono importanti per la riduzione della permeabilità. Questa non è sempre un fattore negativo, in quando alcuni manufatti richiedono un buon drenaggio. Ad esempio, le massicciate costituiscono la base di appoggio di strutture orizzontali (pavimenti, binari, ecc…) che poggiano su terreni che, per vari motivi, non costituiscono una buona base di appoggio. Il ruolo delle massicciate è quello di trasmettere al terreno le sollecitazioni dell’opera. Le massicciate esposte agli atmosferili, essendo composte da pietrisco, proteggono le opere ed i manufatti dall’umidità lasciando passare l’acqua facilitandone la dispersione nel terreno sottostante. La struttura delle massicciate è diversa a seconda del tipo di opera che devono sostenere. Generalmente sono costituite vari strati di pietrisco a granulometria variabile con i livelli più grossolani situati nella porzione basale.

Inerti/Resistenza agli urti ed all’abrasione

La resistenza agli urti ed all’abrasione (resistenza alla frammentazione) è determinata in laboratorio con uno strumento noto come “Los Angeles”.

Una certa quantità di materiale è inserita in un cilindro insieme a sfere di acciaio. Su un lato del cilindro è saldata una lama che ha il compito, durante la rotazione, di trattenere e poi di rilasciare le sfere ed il granulato. Si registrano due processi fondamentali:

1. Le sfere nel ricadere sul granulato simulano degli urti;
2. I granuli, sfregandosi a vicenda, si levigano e producono della polvere.

È una prova che simula abbastanza compiutamente quello che accade in una massicciata ferroviaria al passaggio dei treni.

L’apparecchiatura comprende:

• Macchina Los Angeles;
• 12 sfere in acciaio aventi diametro di 45-49mm;
• Forno ventilato regolato alla temperatura di circa 110°C;
• Setacci aventi diametro di 1,6mm, 10mm, 11.2 (o 12.5mm) e 14mm;

La massa del campione deve essere costituita da almeno 15kg di particelle aventi diametro da 10 a 14mm. La granulometria del campione deve rispondere ad uno dei seguenti requisiti:

• Dal 30% al 40% deve passare attraverso un setaccio da 11.2mm;
• Dal 60% al 70% deve passare attraverso un setaccio da 12.5mm.

Si setaccia poi il campione con setacci da 10mm, 11.2mm (o 12.5mm) e 14mm in modo da ottenere frazioni separate comprese tra 10mm e 11.2mm (o 12.5mm) e tra 11.2mm (o 12.5mm) e 14mm. Si lavano le due frazioni separatamente, si essiccano fino a massa costante e si lasciano raffreddare a temperatura ambiente. Si mescolano, poi, le due frazioni per ottenere un campione modificato di granulometria compresa tra 10mm e 14mm.