עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > גיאולוגיה > מחצבים
אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה


תקציר
משחר ההיסטוריה תר האדם אחר משאבי הטבע הטמונים בכדור הארץ. ההתפתחות המדעית והטכנולוגית הובילה לפיתוח שיטות מתקדמות ומתוחכמות לאיתור ולניצול של משאבי טבע. על סוגי המחצבים ועל השיטות לאיתורם.



איתור וניצול משאבי טבע – מחצבים
מחבר: ד"ר עמית שגב


מגוון המחצבים והסלעים "המארחים" מכתיב שימוש, ביחד ולחוד, של שיטות שונות ומגוונות לאיתורם

משחר ההיסטוריה תר האדם אחר משאבי הטבע הטמונים בכדור הארץ לצרכיו האישיים והתרבותיים. מקובל לחשוב שהגֵאולוג הראשון (לפני 4000 שנה) היה הירואיריס שנשלח על ידי אחד הפרעונים לתור אחר מחצבים בסיני וחזר מצויד בשלל אבני טורקיז שאסף במסעו.

קיומה ורווחתה של החברה האנושית תלויות גם כיום במשאבי הטבע: מחצבים, חומרי דלק ומים. לאור זאת, אפשר להבין את החשיבות העליונה של התפתחות הגֵאולוגיה הכלכלית, העוסק באיתור עתודות של מחצבים הראויים להפקה מנקודת ראות כלכלית וסביבתית.

ההתפתחות המדעית והטכנולוגית המואצת שחלה בעשורים האחרונים, הובילה לפיתוח שיטות מתקדמות ומתוחכמות לאיתור ולניצול של משאבי טבע, גם כאשר הם טמונים בעומקים גדולים או נמצאים בריכוזים נמוכים. בכתבה הבאה, חושף בפנינו ד"ר עמית שגב מהמכון הגֵאולוגי בירושלים, את העולם הנעלם של מחצבים וסלעים באמצעות טכנולוגיות משוכללות המשרתות את הסקרים הגֵאולוגיים המתבצעים לצורך איתור מחצבים ובדיקת כדאיות הפקתם.

לפני כניסתנו לנושא של ניצול מחצבים (משאבי טבע מינרליים) כדאי להבהיר כמה מונחים שנשתמש בהם במאמר זה:

מחצב (עפרה, בצר, Mineral Resource) – מינרל טבעי בעל ערך כלכלי (משתנה עם התקדמות הטכנולוגיה ועלויות ההפקה).
מרבץ (Ore deposit) – גוף סלע (תלת-ממדי) המכיל מחצב אחד או יותר ויש לו ערך כלכלי. מינרליזציה – ריכוז מינרלי בצר בסלע.
טפל – שכבות סלעים המכסות את המחצב, או משולבות בתוכו, שכיום אין להן ערך כלכלי.
פרוספקציה – פעולות איתור של מחצבים באמצעות שיטות מדעיות וטכנולוגיות שונות כגון: גֵאוכימיה, גֵאופיסיקה, דיגום חתכים, חפירת תעלות, קידוחים ועוד.
סקר גֵאולוגי – לימוד ההרכב והתפוצה של מחצב בעזרת שיטות רבות ומגוונות, בדרך כלל בכמה שלבים. בסקר נבדקת האפשרות לקיומו של מרבץ, מידת רציפותו במרחב, הגֵאומטריה שלו והשינויים בהרכבו. בשלב מתקדם יותר ממפים את המרבץ ומחשבים את כמויות הבצר.
עתודות (רזרבות, Ore Reserves) – כמויות חומר גלם או בצר, באתר כרייה או חציבה ידוע, שיופקו בעתיד. על פי הסוג ואופי המרבץ, ובהתחשב בצפיפות המידע, מסווגות העתודות ל-3 קטגוריות כדלהלן:
- אפשריות (פוטנציאליות) – עתודות בצר שהוגדרו במחשופים טבעיים, בשטח שבו נקודות המידע מועטות ורחוקות זו מזו. נפיצות הבצר ופיזורו במרחב ידועים באופן חלקי בלבד.
- משוערות – עתודות בצר שנסקרו באופן שיטתי, נקודות המידע (מחשופים וקידוחים) בצפיפות נמוכה.
- מוכחות – עתודות בצר שנסקרו באופן שיטתי, נקודות מידע (בד"כ קידוחים) צפופות מאפשרות לקבוע בוודאות את נוכחות הבצר ואיכותו.

סוגי מחצבים

ישנן חלוקות שונות של סוגי מחצבים, המבוססים על הרכבם, על השימוש בהם או על אופן היווצרותם:

חלוקה לפי הרכב – מחצבים מתכתיים (כגון: נחושת, מנגן, ברזל, אלומניום וכד') ומחצבים שאינם מתכתיים (אבן גיר, דולומיט, חרסיות וכד').

חלוקה לפי שימוש – מחצבים לתעשיית הבנייה (אבן גיר, קירטון, חרסיות, גבס, בזלת, גרניט ועוד); חומרי גלם לתעשייה (פוספאט, אשלג, חול זך לזכוכית, חרסיות, פלדספר ועוד); חומרי גלם להפקת אנרגייה (כבול, ליגניט, פחם, פצלי שמן).

חלוקה לפי אופן ההיווצרות או הסלעים המארחים – מחצבים שמקורם סלעי משקע (סלעים סדימנטריים כמו: אבן גיר, אבן חול, תחמוצות ברזל מסוגים שונים, מינרלי נחושת, אורניום, פחם ועוד); מחצבים ממקור מגמטי-וולקני (סולפידים של נחושת ומתכות אחרות, זהב, יהלומים, טוף, חרסיות, גופרית ועוד); מרבצים ממקור מגמטי-פלוטוני (נחושת, זהב, וולפרם, אורניום ועוד); מחצבים שמקורם בסלעים שעברו תהליכי התמרה בתנאים של טמפרטורה ולחץ גבוהים.

השיטות לאיתור מחצבים

מגוון המחצבים והסלעים "המארחים" מכתיב שימוש, ביחד ולחוד, של שיטות שונות ומגוונות לאיתורם.

סקר גֵאולוגי

סקר גֵאולוגי הוא ההליך הבסיסי והזול ביותר לאיתור של מחצב הנראה לעין

סקרים גֵאולוגיים פשוטים נעשו כבר בתקופות הקדומות בהתאם לצורכי התרבויות הקדומות. בתקופת האבן נעשה שימוש רב בסלעים בעלי דרגת קושי גבוהה כמו אבן צור, קוורציט, אובסידיאן (זכוכית וולקנית) ליצירת כלי עבודה וכלי נשק. במכרות תמנע חיפשו את מינרלי הנחושת על פי צבעם הכחול-ירוק כבר לפני יותר מ- 5,000 שנים.

סקר גֵאולוגי הוא ההליך הבסיסי והזול ביותר לאיתור של מחצב הנראה לעין. בסקר נבדקים הסלעים הרלוונטיים להתאמתם לדרישות הצרכן והשוק. הבדיקות, כוללות את ההרכב הכימי והמינרלוגי של המחצב, הכמות של המינרל מסך כל הסלע, האם התופעה היא שולית או בכמות כלכלית, מידת רציפותו של המרבץ במרחב, הגֵאומטריה שלו והשינויים בהרכבו. בשלב מתקדם של הסקר נעשה מיפוי גֵאולוגי מפורט של המרבץ וכן חישוב כמויות הבצר. האנליזות הכימיות והמינרלוגיות נעשות בשימוש במגוון של ציוד מודרני ומתוחכם המאפשר לקבוע את ההרכב הכימי עד חלקי מליון (תכולת זהב לדוגמה של יותר מ-3 חלקי מליון, או 3 גר' לטון עפרה היא בדרך-כלל בתחום הכדאיות הכלכלית להפקה) ואף בערכים נמוכים יותר. להרכב המינרלוגי יש גם כן חשיבות רבה כיוון שהוא מכתיב, במקרים רבים, את התכונות הפיזיקליות של המינרלים והסלעים ולכן את שיטות ההעשרה וההפקה של הבצר מכלל הסלע הטפל.

סקר גֵאוכימי

בסקר גאוכימי דגימות עוברות אנליזות כימיות מאוד מדויקות במכשירים שונים המסוגלים למדוד חלקי טריליון של היסודות הנבדקים

רבים מהמחצבים מוסתרים, בלתי נראים או שתפוצתם על פני השטח קטנה מאוד ביחס לשטחים הנסקרים. ניקח לדוגמה מקום שבו מצוי מרבץ מתכתי כלשהו ברחבי הנגב, גודלו כ-0.5 קמ"ר, ועלינו לבצע סקר כדי לאתרו. בדרך כלל אחוזים בודדים של תרכובת מתכתית כלשהי בסלע עשויים להיות מטרה לאיתור המתכת. כל תרכובת מתכתית עוברת תהליכי בליה (פיזית וכימית) ונשטפת למרחק באמצעות מערכות הניקוז בהתאם לתכונות המינרלים, תנאי האקלים ותנאי השטח. לאור זאת, כל מרבץ מתכתי הוא מעין מוקד שממנו מתפזר היסוד המתכתי פיזור טבעי למרחקים, במערכות ניקוז המים. מרבית היסודות המתכתיים מסתפחים למינרלי החרסית או מצויים במקטע הדק (עד עשרות מיקרונים) של סחף הנחלים. פיזור זה מגדיל את התפוצה המרחבית של היסוד, אך ריכוזו בסחף הנחלים יורד. בסקר גֵאוכימי מבצעים דיגום סחף הנחלים, במערכות ניקוז, על פי היררכיה של הנחלים הראשיים, המשניים ויובליהם. בשיטת עבודה זו אפשר לכסות שטחים נרחבים בדיגום מייצג של דוגמה אחת לכל קמ"ר, הכל בהתאם ליסוד המתכתי הנסקר ותנאי השטח. מנפים כל דוגמת סחף לקבלת המקטע הנבחר ומחלקים אותן לקבלת דוגמה מייצגת. דוגמות אלה עוברות אנליזות כימיות מאוד מדויקות במכשירים שונים המסוגלים למדוד חלקי טריליון של היסודות הנבדקים. אחרי קבלת התוצאות האנליטיות וביצוע מבחנים סטטיסטיים לקביעת תכולת הרקע של כל יסוד והסף שממנו הריכוז הוא אנומלי, מציבים את הערכים המדודים במפות הטופוגרפיות ויוצרים מפות תפוצה – "מפה גֵאוכימית" ליסודות הנבדקים. במקומות שבהם מתגלים ריכוזים בעלי ערכים אנומליים של יסוד מסוים מתכננים בדרך כלל שלב שני של דיגום, בצפיפות גבוהה יותר. בדרך זו של ציפוף הדיגום ניתן לסגור על המיקום המדויק של אתרי מינרליזציה מתכתית או אחרת. לאחר שמוצאים את המוקד או מוקדי המינרליזציה מבצעים סקרים גֵאולוגיים לפני השטח ואחר כך בתת-הקרקע, בדומה למתואר בסעיף הראשון.

סקרים גֵאופיזים

ליסודות הראשיים המרכיבים את הסלעים בפני השטח יש החזרות באורכי גל שונים של קרני האור הניתנים לקליטה באמצעות חיישנים מודרניים

אפשר לבדוק מרחוק תופעות מינרליזציה מסוגים שונים בסלעים. במסגרת תכניות החלל והצרכים הצבאיים פותחו אמצעים טכנולוגיים לחישה מרחוק. חיישנים מסוגים שונים, הנישאים על ידי חלליות או כלי טייס פותחו והם מסוגלים לסרוק שטחים נרחבים. ליסודות הראשיים המרכיבים את הסלעים בפני השטח יש החזרות באורכי גל שונים של קרני האור הניתנים לקליטה באמצעות חיישנים מודרניים.

בשיטות אלה נעשה שימוש בצילום אווירי כדי למפות יחידות סלע בעלות הרכבים מגוונים. כושר ההפרדה של החיישנים מגדיר את היכולת להבחין בגופים קטנים בעלי הרכב ייחודי. סלעים ומינרליזציות המכילים יסודות או איזוטופים רדיואקטיביים, כמו אורניום, תוריום או אשלגן, נמדדים בנקל על ידי גלאים מוטסים או ידניים. על פי רוב נעשים הסקרים במטרה לאתר אורניום, שהוא חומר דלק חשוב בכורי כוח גרעיניים. סקרים אוויריים (מטוס קל או הליקופטר) מתבצעים בצפיפות קווי טיסה ובגובה בהתאם לרמת הפירוט הדרושה. מסקרים כאלה ניתן להכין מפות קרינה של האיזוטופים הרדיואקטיביים השונים ומפת קרינה כוללת. למפות של הקרינה בפני השטח יש חשיבות גם מההיבט הסביבתי. לטכנולוגיות אלה יש שימוש מעשי בסריקה ובמיפוי שיטתי של פני השטח לאיתור אתרים שבהם מצויים החומרים הנבדקים.

תכונות פיזיקליות נוספות שאפשר למדוד במכלול הסלעים כולו, ביחידת שטח נסקרת, הן המגנטיוּת והכבידה (Gravity). שני פרמטרים אלה יוצרים שדות פוטנציאליים שבמקרים רבים עוזרים לאתר תופעות מינרליזציה וגופי בצר על פני השטח ובתת-הקרקע.

מגנטיוּת: השדה המגנטי מושפע מגורמים רבים כגון: השדה של כדור הארץ, הקרינה הקוסמית והתכונות המגנטיות של חתך הסלעים בנקודת המדידה. מדידת השדה המגנטי על ידי מגנטומטר נעשית מהאוויר מספינות או על הקרקע. לאחר מכן מעבדים את הנתונים ומפענחים אותם במחשב ובונים מפות מגנטיות המבליטות אזורים של אנומליות מגנטיות חיוביות ושליליות הנגרמות על ידי נוכחותם של סלעים המכילים כמות ניכרת של מינרלים מגנטיים (בייחוד מינרלי ברזל כמו מגנטיט), דוגמת בזלת.

הכבידה: שדה הכבידה נמדד על ידי גרבימטר, בדרך כלל על פני הקרקע, אך גם מהאוויר ומהים. ערכי הכבידה מבטאים את סך צפיפות הסלעים בנקודת המדידה. כאשר התוצאה הראשונית מושפעת מאוד מהגובה הטופוגרפי של נקודת המדידה. ביצוע מדידות בצפיפות שונה של רשת נקודות המדידה מאפשרת בניית מפות גרביטי ברמות פירוט המתאימות לצפיפות נקודות המדידה.

ריכוזים של מינרלים מתכתיים מאופיינים בצפיפות גבוהה ולעִתים קרובות בתכולה גבוהה של מינרלים ברזליים ולכן השימוש בשיטות אלה עשוי לעזור באיתורם.

קיימות שיטות גֵאופיזיות נוספות לאפיון התכונות של הסלעים בתת-הקרקע. בעזרת השיטות החשמליות נבדקת המוליכות החשמלית של התווך התת-קרקעי, כלומר הן הסלעים לסוגיהם והן הנוזלים שבתוכם. שימוש רב בהדמיית תת-הקרקע נעשה על ידי שיטות סֵסמיות ואחרות. שיטות אלה עושות שימוש בגלים מסוגים שונים המוחדרים לתת-הקרקע ונקלטים לאחר עוברם בשכבות הסלע. שיטות גֵאופיסזות אלה מהוות כלי עיקרי במערך חיפושי נפט וגז.

מקורות

שגב ע., איתמר א., גולדשמיט ו., ריבקוב מ., וולקן ע., (1993) מכתש רמון – מבנה והרכב תת-הקרקע – מחקר מגנטומטרי וגרבימטרי, המכון הגֵאולוגי, דוּח GSI/29/93,  ע'43.

שגב ע., בייט מ., (2000) מפה גֵאולוגית של ישראל 1:50,000, גיליון 25-III, הר שגוב, המכון הגֵאולוגי.

Ilani, S., Shirav, M., Halicz, L., Green, P.M. and Breward, N., (1993), Geochemistry of stream sediments in the Mount Carmel area. Isr. Geol. Surv. Current Research, Vol. 8, 15-19

Klein, J., (1971), Airborne geophysical survey in Sinai – Israel, Inst. Petrol. Res. Geophy. (Geophy. Res. Inst. Isr.), Rep. SGA/725/69

Segev, A., Goldschmidt, V. and Rybakov, M., (1999), Late Precambrian–Cambrian tectonic setting of the crystalline basement in the northern Arabian–Nubian shield as derived from gravity and magnetic data: basin-and-range characteristics, Isr. J. Earth Sci., Vol. 48, 159-178

 Shirav, M., Vulkan, U., Margaliot, M., Shamai, Y, Neeman, E., and Brenner,S, (1998)., Natural Terrestrial Dose-Rate Map of Israel, 1:500,000. Geological Survey of Israel, Soreq Nuclear Research Center & Ministry of the Environment

ביבליוגרפיה:
כותר: איתור וניצול משאבי טבע – מחצבים
מחבר: שגב, עמית (ד"ר)
תאריך: מרץ 2004 , גליון 18
שם כתב העת: אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה
בעלי זכויות : רמות; אוניברסיטת תל אביב
הוצאה לאור: אוניברסיטת תל אביב; רמות
הערות: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הערות לפריט זה:

1. ד"ר עמית שגב הוא חוקר בכיר בתחומי הגיאולוגיה בשילוב גיאופיסיקה וגיאוכרונולוגיה, היה בעבר מנהל האגף למחצבים ומקורות אנרגיה.


הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית