Georisorse Metalliche

Giacimentologia: definizione e importanza

“La giacimentologia è lo studio e l’analisi dei corpi geologici e dei materiali che possono essere usati dall’uomo. Tali sostanze includono combustibili, metalli, minerali non metallici e acqua. Inoltre l’applicazione delle conoscenze e delle teorie geologiche alla ricerca ed alla comprensione delle concentrazioni di tali sostanze” (Jackson, 1997).

Dipendenza della civiltà moderna dai minerali

Contrariamente a quanto si possa pensare, la civiltà moderna è fortemente dipendente dall’apporto abbondante ed a buon mercato dei minerali metallici. Dal periodo dei romani ad oggi, l’uomo è passato dall’utilizzare poche unità di minerali (come ferro, rame, oro, ecc.) alle decine di minerali indispensabili per lo sviluppo tecnologico moderno (come gallio, tungsteno, litio, ecc.).

Questi sono i minerali metallici più utilizzati durante la storia dell’uomo: rame (dal 4000 a.C.), ottone (dal 2500 a.C.), ferro (dal 1000 a.C.), fino ai metalli d’alta tecnologia (dalla fine del ‘900 ad oggi). Oggi il metallo col maggior “giro economico” (ossia quello più ricercato e richiesto) è il ferro.

Principali paesi produttori di metalli

• Sud America (Rame e Ferro)
• Sud Africa (PGE, cromite)
• Europa Orientale (Rame)
• Russia (REO – rare earth oxide e Ferro)
• Cina (Cromite e REO)
• Australia (Bauxite e Ferro)

Questi stessi paesi sono anche i maggiori esportatori di tali risorse.

Definizione di giacimento minerario

Un giacimento minerario è una concentrazione di minerali (mineralizzazione), formatisi in seguito a processi naturali, chimici, fisici o organici, all’interno o all’esterno della crosta terrestre, che hanno rilevante importanza economica tanto da essere utilizzati industrialmente.

Classificazione dei giacimenti minerari

I giacimenti minerari vengono classificati in due categorie principali in base al processo di formazione:

• Giacimenti formati per processi profondi (endogeni)
  • Magmatici (diversi tipi)
  • Idrotermali (diversi tipi)
  • Metamorfici (giacimenti molto rari in quanto il metamorfismo distrugge tutte le strutture, compreso il giacimento)
• Giacimenti formati per processi superficiali (esogeni)
  • Accumulo Meccanico (pepite d’oro)
  • Precipitati Chimici (carbonati di Fe, Pb, Zn e sali)
  • Residuals (bauxite)
  • Secondari Supergenici
  • Esalativi Vulcanogenici o Sedimentari

Concetti di base

Un giacimento minerario (ore deposit) possiede sempre una concentrazione di uno o più minerali economicamente sfruttabili (ore), sempre mescolati ad altri minerali che però non possiedono alcun valore economico e che quindi rappresentano il materiale di scarto del giacimento (ganga). In alcuni giacimenti è possibile che siano presenti più metalli diversi e la vendita di uno può finanziare l’estrazione di un altro (elemento by-product).

Tenore e tenore limite

Qualsiasi roccia contiene un grosso numero di elementi, ma in varia concentrazione. La concentrazione di un certo elemento in una roccia rappresenta il suo tenore (ore grade). Il tenore minimo di un elemento che una roccia deve contenere perché si possa considerare vantaggiosa la sua estrazione, viene detto tenore limite (cut off grade). Il valore del cut off dipende da fattori:

• naturali:
  • forma e composizione del giacimento
  • durezza della roccia
  • granulometria
• tecnici:
  • produttività dei mezzi
  • produttività dei metodi di lavorazione
• economici:
  • costo di lavorazione
  • trasporto
  • prezzo di vendita del prodotto finito

Il tenore è un valore fisso, intrinseco della roccia, mentre il tenore limite è un valore variabile nello spazio e nel tempo.

Termini utilizzati in giacimentologia

• Materiale sterile (roccia incassante) barren material (rock)
• Coltivazione (estrazione del minerale utile) exploitation
• Esplorazione (ricerca del minerale utile) exploration
• Miniera a cielo aperto open pit operation
• Miniera in sotterranea underground operation
• Trattamento del minerale (arricchimento ed estrazione) processing

Dove e come sfruttiamo le nostre risorse?

Lo sfruttamento di un materiale comincia quando esso viene asportato dal luogo in cui esso si trova in natura, lo si suddivide in massi e frammenti 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 miniere come a luoghi di coltivazione in sotterraneo, e che la scelta dell’una o dell’altra tipologia estrattiva venga fatta sulla base della geometria del deposito di interesse. In realtà la distinzione tra cava e miniera è puramente legislativa.

La legge n°6 del 1957 stabilisce che i materiali oggetto di miniera sono di competenza statale e sono soggetti a concessione, ovvero il materiale appartiene allo Stato ed è perciò regolato dal diritto pubblico. I materiali di cava invece rientrano nell’ambito del diritto privato e sono di competenza regionale. 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.

Principali passi per l'apertura di una miniera o di una cava

1. Esplorazione mineraria per scoprire il giacimento
2. Studio per provare la sua validità commerciale
3. Costruzione delle infrastrutture della miniera
4. Estrazione del materiale dal terreno
5. Separazione del minerale utile dalla ganga in concentrati metallici
6. Separazione e raffinazione dei prodotti minerari industriali
7. Estrazione dei metalli dai concentrati
8. Purificazione del metallo
9. Vendita del prodotto

Grado di lavorabilità dei giacimenti

La grandezza, l’ampiezza e la natura del giacimento determinano il grado di lavorabilità. Depositi larghi a basso grado, che si trovano in superficie o vicino ad essa, possono essere lavorati con metodi di estrazione economici (a cielo aperto), mentre vene sottili e tabulari necessiteranno di costosi metodi di estrazione in sotterranea. All’aperto si estraggono maggiori quantità di materiale rispetto alla lavorazione in sotterranea. Poiché una roccia mineralizzata possa essere considerata un giacimento occorre che sia collocata geograficamente in un posto facilmente raggiungibile in cui valga la pena costruire tutte le infrastrutture necessarie ai lavoratori.

Riciclaggio

Possiamo riciclare qualcosa per non consumare le nostre risorse e proteggere l’ambiente? Il riciclo delle materie prime minerali non funziona al 100%, né può soddisfare la domanda crescente di tali materie. Per alcuni metalli il limite è inferiore al 10%. Bisogna quindi ricorrere ai giacimenti di materie prime metalliche.

Domanda attuale e futura

Al momento, per il fabbisogno di ogni essere umano, vengono estratte e consumate 0,5 tonnellate di risorse minerarie all’anno, destinate a crescere sensibilmente. Se c’è un aumento generale e costante dei prezzi di tutte le materie prime, tale aumento è proporzionale alla diminuzione delle scorte che devono essere in qualche modo rinnovate. È comunque ancora difficile poter stabilire in maniera assoluta la domanda futura, dal momento che ciò dipende in gran parte dai prezzi, dal progresso tecnologico e dalla consapevolezza crescente dell’impatto ambientale.

Durata delle riserve minerarie

Il cosiddetto indice di vita consiste nel rapporto tra l’entità delle riserve conosciute ed il loro consumo, e dovrebbe esprimere la presenza futura delle risorse non rinnovabili. Esso, tuttavia, non è un parametro affidabile in quanto dipende da vari fattori:

• Prezzo dei materiali (o dell’elemento da ricavare)
• Intensità e qualità dell’esplorazione globale
• Sviluppi della tecnologia
• Costi di ricerca
• Domanda

In realtà, non è possibile calcolare la durata di un giacimento (di petrolio, ferro o oro che sia) in quanto questi (ed altri) materiali economici possono essere ritrovati in giacimenti non tradizionali. Tutto dipende dal progresso tecnologico e, soprattutto, dai costi di estrazione. La domanda futura dipende in gran parte dai prezzi, dal progresso tecnologico e dalla consapevolezza (si spera) crescente dell’impatto ambientale.

Tre buone ragioni per la ricerca (sia scientifica che mineraria)

1. La ricerca è la base per una comprensione ben fondata dei processi e dei parametri che controllano la formazione delle anomalie geochimiche (come ad esempio i giacimenti minerari) nella crosta terrestre.
2. I depositi conosciuti con caratteristiche complesse possono diventare economici a seguito del progresso tecnologico.
3. Nuovi mezzi per la ricerca mineraria possono essere sviluppati sulla base del progresso delle conoscenze. Ad esempio, con l’uso di nuove tecniche:
   • Dei targets di esplorazione a carattere regionale (“green field”) possono essere identificati con maggiore facilità
   • Può essere controllata la ricerca per l’estensione areale di giacimenti conosciuti e per nuove scoperte in distretti minerari già esistenti (“brown field”), che includono concentrazioni minerarie non in affioramento.

Fattori che influenzano la ricerca in una determinata zona

• Prospettiva geologica: ogni incremento nelle conoscenze geologiche può causare una variazione del tipo di ricerca e portare all’identificazione di nuovi obbiettivi.
• Sviluppi tecnologici: nuove tecniche di lavorazione dei minerali metallici con conseguente uso decrescente di piombo ed amianto.
• Situazione politica: bisogna tener conto di stabilità politica, leggi non complesse su ricerca/estrazione, regolamenti ambientali, tassazione.
• Costo della manodopera
• Accettazione sociale

Estrazione di elementi minerali

Il silicio si ricava dalle sabbie silicee che contengono quarzo in abbondanza. Il sodio ed il potassio vengono estratti dalle evaporiti che, chiaramente, non sono rocce molto abbondanti nella crosta terrestre (sappiamo, infatti, che prevalgono le rocce ignee e metamorfiche). Il magnesio ed il calcio vengono estratti dalle rocce carbonatiche.

Perché non ricavare il ferro e l’alluminio dai silicati?

Perché rompere i legami dei silicati (che sono molto forti) è dispendioso. Ad esempio, l’alluminio è presente sia nelle bauxiti che nei silicati. Risulta però più vantaggioso estrarre l’alluminio dalle bauxiti poiché in tali rocce esso è concentrato come idrossido, mentre nei silicati è presente come costituente dei minerali. Per estrarre l’alluminio dai silicati, infatti, è necessario fondere la roccia a temperature superiori ai 1200°C, cosa che implica un elevato dispendio energetico ed economico.

Valutazioni sulla disponibilità mineraria

Lo studio della Tabella III permette di fare alcune importanti valutazioni:

• Il rame possiede un’abbondanza crostale di soli 55ppm, nonostante ciò esso è considerato un elemento molto comune nella crosta poiché si ritrova facilmente in molte tipologie di giacimenti.
• Lo zirconio, nonostante possegga un’abbondanza media crostale di 165ppm, è considerato un elemento molto raro nella crosta, poiché non si ritrova in molti giacimenti.
• Il piombo (12,5 ppm) e lo stagno (2ppm) sono considerati elementi molto comuni nella crosta.
• I lantanidi, come il cerio (67ppm), sono considerati elementi rarissimi.

Risulta chiaro che la disponibilità mineraria di un certo elemento è dovuta alla capacità di quell’elemento di formare minerali propri, e che tali elementi siano poi in grado di concentrarsi in una porzione di crosta terrestre. Il rame, ad esempio, forma un grosso numero di minerali propri che si concentrano in determinate situazioni, così come anche il piombo e lo stagno. Lo zirconio invece, possiede la capacità di formare minerali propri, ma questi raramente si concentrano per creare degli adunamenti economici poiché nella maggior parte dei casi essi formano dei minerali accessori nelle rocce ignee più comuni.

Infine, le REE (elementi delle terre rare) non formano minerali propri, ma in generale vicariano altri elementi nei reticoli cristallini dei silicati più comuni (ad esempio l’Eu vicaria il Ca nel plagioclasio).

Clarke di concentrazione

Col termine Clarke di concentrazione si indica il rapporto tra il cut off ed il Clarke. Poiché i Clarke riportati nella Tabella III sono espressi in ppm, per convertirli in percentuale bisogna dividerli per 10⁴: % = 10000.

Mentre il Clarke di un elemento per la crosta è un valore medio fisso, quello di concentrazione è molto variabile da minerale a minerale. Affinché la concentrazione di un certo elemento sia economicamente sfruttabile, il valore del Clarke di quell’elemento deve come minimo raggiungere il valore di cut off che rappresenta il limite inferiore per una coltivazione economica. Il Clarke deve perciò essere moltiplicato per un determinato fattore di concentrazione o di arricchimento ottenuto dal rapporto.

Fattori di arricchimento

La tabella sottostante riporta alcuni valori di Clarke, fattori di arricchimento e cut off per alcuni degli elementi di interesse economico. L’abbondanza media crostale di un elemento è un parametro che può essere preso come riferimento per giudicare l’arricchimento o l’impoverimento di quell’elemento nei diversi tipi di materiali. Per la formazione di un giacimento minerario, quindi, l’elemento (o gli elementi) in questione deve essere arricchito ad un livello considerevolmente più alto della sua normale abbondanza nella crosta terrestre.

Eventi geologici e giacimenti minerari

Fattori di arricchimento così importanti non possono essersi verificati in un unico evento geologico. È infatti dimostrato che un giacimento è il risultato di una serie di eventi naturali succedutisi nel tempo che hanno concentrato un elemento utile, passando per concentrazioni a livello di Clarke, poi a livello di anomalie geochimiche ed infine a giacimento minerario. Ad esempio: per aprire una miniera di alluminio c’è bisogno di un valore di cut off del 30%, valore molto superiore alla sua abbondanza media crostale (8%).

Giacimenti e tettonica

La formazione di un giacimento minerario richiede l’intervento di una serie di fattori che possono essere così riassunti:

1. Metalli
2. Nel 70% dei giacimenti c’è bisogno di zolfo
3. Mezzo di trasporto
4. Meccanismo di messa in moto e fonti di energia (magma, acqua, fluidi)
5. Concentrazione, processi di estrazione dei metalli – possibilità per i metalli di concentrarsi in uno stesso posto per creare un’anomalia geochimica
6. Preservazione – sistemi che preservino il giacimento

L’origine dei giacimenti è dovuta a processi interattivi tra le diverse sfere che compongono il nostro pianeta (astenosfera, litosfera, idrosfera, biosfera, atmosfera), come la tettonica a zolle e l’evoluzione climatica. Ciò spiega come mai, ad esempio, la stragrande maggioranza dei giacimenti di rame si ritrovano lungo la catena montuosa delle Ande (c’è un legame tra la subduzione ed i giacimenti). Il nostro pianeta è in continua evoluzione ed esiste un motore interno che alimenta la tettonica a zolle. I processi di tettonica distensiva e compressiva sono attivi da sempre ed i suoi effetti sono ben visibili nelle zone in cui c’è stata la formazione delle catene montuose (Alpi, Ande, Himalaya). Ogni giacimento di un particolare metallo è sempre riferito ad un particolare ambiente geodinamico.

Rift e rifting (margini divergenti)

Il rift è una regione in cui la crosta terrestre e la litosfera si trovano in condizioni tettoniche distensive e vengono separate sotto l'azione di forze di trazione generate dai movimenti convettivi del mantello terrestre sottostante. Caratteristiche tipiche sono la presenza di sistemi di faglie distensive, con andamento lineare che strutturalmente suddividono la regione in blocchi relativamente abbassati, i graben, interposti fra blocchi relativamente rialzati, gli horst, delineando una rift valley caratterizzata da fagliamento normale parallelo ai fianchi sollevati su ciascun lato, con possibile presenza di faglie listriche che tendono a far basculare i blocchi con l'aumentare della separazione fra i margini dell'area a causa dell'espansione del rift.