«Экономические аспекты геологии»

При выборе ключевых горизонтов знание условий осадконакопления очень важно. Например, некоторые нефтяные месторождения встречаются в великих дельтовых отложениях, где последовательные наступления и отступления моря привели к чередованию морских и наземных отложений. Наземные отложения обычно показывают большие вариации в характере и мощности в латеральном и вертикальном направлениях; и данный пласт, вероятно, выклинивается и исчезает при прослеживании на короткое расстояние, делая бесполезным его использование в качестве маркера. Морские отложения, с другой стороны, показывают гораздо большую степень однородности и непрерывности, и пласт морского известняка может простираться на большую площадь и быть очень полезным в качестве ключевого горизонта.

На больших площадях выходы пород и записи ранее пробуренных водяных и нефтяных скважин могут быть недостаточны для получения указания на структуру; тогда становится необходимым получить поперечные разрезы путем бурения неглубоких скважин до какого-либо идентифицируемого пласта и определить структуру по этим поперечным разрезам до начала более глубокого бурения через благоприятную структуру, расположенную таким образом. Совместные усилия Геологической службы штата Иллинойс и частных интересов, упомянутые на стр. 306, являются хорошей иллюстрацией этой процедуры. Этот метод находится только в зачаточном состоянии, потому что бурение скважин еще не исчерпало возможности структур, расположенных по поверхностным выходам.

Так называемые антиклинальные структуры, которые, как показал опыт, столь благоприятны для накопления нефти, отнюдь не симметричны по форме или однородны по размеру. Это могут быть удлиненные своды с одинаковым падением по обе стороны, или одна сторона может иметь падение, а другая быть почти плоской. На территории с общим падением в одном направлении небольшое изменение угла, хотя и не направления падения, иногда называемое задержанным падением, может вызвать достаточную неровность, чтобы создать необходимые условия улавливания. В других случаях антиклиналь может иметь почти равноразмерную куполообразную форму. Крупнейшие антиклинали, которые, как было установлено, действуют как специфические резервуары, редко превышают несколько миль в поперечнике, а во многих случаях только милю или две. «Замыкание» (closure) антиклинали — это разница между высотой данного пласта в самой высокой точке и на краях структуры. Известно значительное число продуктивных антиклиналей, в которых пласты падают настолько полого, что дают замыкание в 20 футов или менее.

После того, как структурные очертания пластов вблизи поверхности были определены, вся возможная информация должна быть использована при проецировании этих структур вниз к нефтеносным горизонтам. Там, где в окрестностях ранее было пробурено несколько скважин, изучение их записей может указывать на определенные латеральные вариации в мощности пластов между горизонтом, который был нанесен на карту, и продуктивным горизонтом. Эффект таких латеральных вариаций может заключаться либо в акцентировании поверхностной структуры, либо в том, что она исчезает полностью и, таким образом, указывает на отсутствие благоприятных условий улавливания. Возможность наличия нескольких нефтеносных пластов на разных глубинах — не редкое условие во многих месторождениях — также должна приниматься во внимание.

Как уже указывалось, антиклинали не всегда необходимы для создания необходимых условий улавливания. В месторождении Бомонт в Техасе, например, было показано, что нерегулярное первичное отложение осадков, различающихся по пористости как вертикально, так и горизонтально, позволило нефти мигрировать вверх нерегулярно вдоль пористых пластов и частей пластов и быть пойманной между более непроницаемыми частями пластов.

Дальнейшие вопросы, которые необходимо рассмотреть при разведке района, — это содержание органического вещества в отложениях, которые могли служить источником нефти, наличие непроницаемых покрывающих пород или вариаций в пористости, достаточных для удержания нефти, мощность отложений и степень, в которой они подверглись дифференциальным напряжениям, величина эрозии и возможности того, что нефть, если она образовалась, ушла из эродированных краев пористых пластов, и, там, где присутствуют углистые пласты, степень их карбонизации, и многие другие подобные вопросы.

Каждое месторождение, по сути, имеет свою «привычку», определяемую взаимодействием нескольких геологических факторов. Эта привычка может быть изучена эмпирически. Геологи часто ошибались, применяя к новому району определенные принципы, определенные в другом месте, без достаточного учета сложности и относительной важности различных геологических факторов, которые в совокупности определяют местную привычку нефтепроявления.

Географически ассоциированные месторождения, характеризующиеся сходством нефтепроявления, возраста и происхождения, известны как нефтеносные провинции. Факторы, входящие в классификацию месторождений, настолько многочисленны, что более точное определение нефтеносной провинции едва ли еще согласовано.

Роль экономического геолога в нефтяной разведке и разработке велика по очевидным причинам, приведенным выше. Вероятно, ни один другой отдельный раздел экономической геологии сейчас не использует такое большое количество геологов. Практически ни одна крупная нефтяная компания или крупный проект по нефтяной разведке и разработке сейчас не обходится без геологической консультации. Цитируя Арнольда: [29]

Должно быть так же очевидно, что разведка бурением должна предваряться тщательными геологическими исследованиями, как и то, что строительство железных дорог должно основываться на изысканиях. Эти исследования должны включать такие предметы, как топография, стратиграфия, структура и поверхностные признаки нефти в регионах, подлежащих испытанию. Работа делится на две стадии — предварительная разведка и детальные съемки.

Предварительная разведка должна состоять в получении всех доступных опубликованных и слуховых данных относительно проявления нефтяных или газовых высачиваний или углеводородных месторождений в регионе; в проведении предварительных геологических съемок для определения того, из каких формаций должна поступать нефть, и ареального распределения этих формаций; в определении тех общих регионов, в которых поверхностные признаки считаются наиболее благоприятными для накопления углеводородов; и в определении лучших маршрутов и методов транспортировки.

Вторая стадия включает детальные геологические съемки тех регионов, где поверхностные признаки указывают на то, что нефть наиболее вероятно может быть найдена, и расположение испытательных скважин в благоприятных точках. Путем проработки поверхностного распределения и структуры формаций обычно возможно выбрать районы, предлагающие лучшие шансы на успех. Геология всегда должна быть доминирующим фактором при определении местоположения испытательных скважин, хотя иногда должны вноситься модификации для соответствия естественным условиям.

ГОРЮЧИЕ СЛАНЦЫ

Одним из источников нефти, который, вероятно, станет важным в будущем, являются горючие сланцы — то есть сланцы, из которых нефтяной продукт может быть извлечен путем дистилляции. На них уже ссылались на предыдущих страницах. Такие сланцы сейчас добываются только в Шотландии и во Франции в относительно небольшом масштабе, но существуют огромные запасы этих сланцев в различных частях мира, которые, вероятно, будут востребованы, когда этого потребуют коммерческие условия. Только в Соединенных Штатах, по оценкам, горючие сланцы являются потенциальным источником нефти в количествах, намного превышающих всю природную нефть этого полушария. [30] Решение проблемы извлечения нефти из сланцев технически довольно хорошо продвинуто, и проблема теперь стала главным образом вопросом стоимости. Чтобы извлечь какое-либо значительное количество нефти из этого источника, должны быть созданы операции колоссального масштаба, примерно на уровне угольной промышленности. Пока существуют достаточные запасы нефти, сконцентрированные природой, маловероятно, что горючий сланец будет обеспечивать какой-либо значительный процент мировых потребностей в нефти. Однако с большим ростом мирового спроса на нефть, который вполне может опередить доступное годовое предложение в будущем, и особенно с ростом спроса в Соединенных Штатах по сравнению с внутренними поставками, проводятся исчерпывающие обследования ситуации с целью разработки горючих сланцев, когда это оправдано рыночными условиями.

Горючие сланцы — это осадочные пласты, содержащие разложившиеся продукты растений и животных. Местами они переходят в кеннель-уголь, с которым они генетически связаны. Их можно рассматривать как представляющие те виды отложений, из которых в основном возникла нефть нефтяных месторождений.

Наиболее обширные горючие сланцы Соединенных Штатов встречаются в эоценовых пластах северо-западного Колорадо, северо-восточной Юты и юго-западного Вайоминга, а также в миоценовых пластах северной Невады. Крупнейшие известные зарубежные месторождения встречаются в Бразилии и России.

ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

Экономические особенности

Природный газ используется как для освещения, так и для топливных целей. В Соединенных Штатах он стал основой великой индустрии, стоимость продукта которой превышает стоимость свинца и цинка. Соединенные Штаты являются крупнейшим производителем природного газа. Другими производителями являются Канада, Голландская Ост-Индия, Мексика, Венгрия, Япония и Италия. Почти все добывающие нефтяные месторождения поставляют также некоторое количество природного газа.

В Соединенных Штатах почти 40 процентов от общего объема добычи природного газа приходится на Западную Виргинию, около 17 процентов — на Пенсильванию, около 17 процентов — на Оклахому и менее 10 процентов — на каждый из штатов Огайо, Калифорния, Луизиана, Канзас, Техас и несколько других штатов.

Одним из недавних интересных событий в этой отрасли является извлечение бензина из природного газа. Это достигается путем сжатия и конденсации газа из затрубного пространства нефтяных скважин, а также, более недавно, путем абсорбционного процесса, который применяется не только к «влажному» газу из нефтяных скважин, но и к так называемому «сухому» газу, встречающемуся независимо от нефти. Это высококачественный продукт, который в последние годы составил около 10 процентов от общего объема производства бензина в Соединенных Штатах.

Геологические особенности

Природный газ, как и нефть, происходит при дистилляции органических веществ в отложениях и мигрирует в резервуары, перекрытые непроницаемыми пластами. Он обычно, хотя и не всегда, ассоциируется с нефтью и углем. Геологические особенности его залегания имеют так много общего с нефтью, что описание по существу дублировало бы приведенный выше отчет о геологических особенностях нефти.

АСФАЛЬТ И БИТУМ

Экономические особенности

Асфальт и битум не используются в качестве энергетических ресурсов, но они имеют так много общего с нефтью по залеганию и происхождению, что они включены в эту главу.

Асфальт и битум находят свое основное применение в дорожном покрытии. Другие важные применения — в красках и лаках, в производстве подготовленных кровельных материалов, для различных изоляционных целей и в заменителях резины.

Почти весь мировой запас природного асфальта поступает с британского острова Тринидад и из Венесуэлы. Оба этих месторождения находятся под коммерческим контролем Соединенных Штатов, вероятно, аффилированным с голландско-английскими интересами. До войны около половины продукта шло в Европу и половина — в Соединенные Штаты. Большие количества асфальтовой и битуминозной породы, используемой в основном в дорожном покрытии, обычно производятся в Эльзасе, Франция, и в Италии. До войны как эльзасские, так и итальянские месторождения находились под немецким коммерческим контролем. Их продукция практически вся потребляется в Европе.

Соединенные Штаты принимают большое участие в мировой торговле природным асфальтом путем импорта из Тринидада и Венесуэлы и некоторого реэкспорта, главным образом в Канаду и Мексику. Соединенные Штаты также производят некоторое количество природного асфальта и битуминозной породы для внутреннего потребления. Месторождения природного асфальтового материала широко распространены по Соединенным Штатам, но коммерческая добыча ограничена несколькими местностями в Кентукки, Техасе, Юте, Колорадо, Оклахоме и Калифорнии.

Асфальт, произведенный из нефти, составляет гораздо больший тоннаж, чем природный асфальт, хотя он не входит в мировую торговлю в такой степени. Произведенный продукт в значительной, но не исключительно, степени находится под американским контролем. Большие количества производятся в этой стране и, несомненно, будут производиться в следующее десятилетие из нефти, добываемой в юго-западных штатах и в Мексике. В настоящее время в Соединенных Штатах производится столько же или больше асфальта из мексиканской сырой нефти, чем из внутренней. Нефтеперерабатывающие заводы расположены вблизи побережья Мексиканского залива, так что экспорт может избежать наземных перевозок. Относительные достоинства природного асфальта и асфальта, произведенного из нефти, могут быть предметом некоторого обсуждения; но совершенно ясно, что произведенного материала достаточно, как по количеству, так и по разнообразию, чтобы сделать Соединенные Штаты полностью независимыми и иметь экспортный излишек.

Геологические особенности

Природный асфальт и подобные продукты в основном являются лишь остатками дистилляции нефти и газа, накопленными природой при определенных условиях, уже описанных в связи с нефтью (стр. 140–144). В некоторых случаях асфальтовый материал встречается в виде пропиток отложений и, по-видимому, остался на месте, в то время как более легкие органические материалы улетучились и мигрировали вверх. В других случаях он встречается в отчетливых жилах в трещинах; трещины и полости, по-видимому, были когда-то заполнены жидкой нефтью, которая впоследствии подверглась дальнейшей дистилляции. Первоначальный жидкий характер некоторых из этих битумов виден по случайным фрагментам «вмещающей породы», застрявшим в жилах. Считается, что воздействие поверхностных вод, несущих окисляющие материалы и серную кислоту, способствовало высыханию и затвердеванию этих жил или даек.

Асфальты и битумы включают в себя широкий спектр углеводородных материалов, таких как гильсонит, грагамит, элатерит, озокерит и др., которые используются для несколько различных целей. Месторождения в Соединенных Штатах отличаются большим разнообразием по форме, составу, возрасту и геологическим ассоциациям. Важные месторождения Кентукки представлены в виде пропиток в каменноугольных песчаниках в основании угленосных отложений этого штата.

Тринидадский асфальт добывается из знаменитого «битумного озера» — почти круглого месторождения площадью около ста акров, расположенного на высоте 150 футов над уровнем моря, которое, как полагают, заполняет кратер старого грязевого вулкана. Так называемая смола представляет собой смесь битума, воды, минеральных и растительных веществ, вся масса которой насыщена газом; он частично выделяется и поддерживает массу в состоянии постоянного кипения. Поверхность озера твердая, однако вся масса в целом пластична и имеет тенденцию заполнять выемки. Считается, что озеро находится на выходе нефтеносного пласта, а смола представляет собой неиспарившийся остаток миллионов тонн нефти, просочившейся из нефтеносных песков. Смола очищается путем плавления: тепло вытесняет воду, древесина и другие легкие примеси всплывают, а тяжелые минеральные вещества оседают на дно.

Асфальт Венесуэлы схож по своей природе, но здесь «битумное озеро» покрыто растительностью, а мягкая смола просачивается в определенных местах, словно из подземных источников.

ПРИМЕЧАНИЯ:

[17] Более подробное рассмотрение международных перевозок угля до войны и перевозок угля внутри Соединенных Штатов см. в работе Геологической службы США «World Atlas of Commercial Geology», ч. 1, 1921 г., стр. 11–16.

[18] Campbell, Marius R., The coal fields of the United States: Prof. Paper 100-A, U. S. Geol. Survey, 1917, pp. 5, 6, 7.

[19] Составлено по таблицам, приведенным в работе: White, David, The petroleum resources of the world: Annals Am. Acad. Social and Political Sci., vol. 89, 1920, pp. 123 and 126.

[20] White, David, loc. cit., p. 113.

[21] См. Arnold, Ralph, Petroleum resources of the United States: Econ. Geol., vol. 10, 1915, p. 707.

[22] White, David, Late theories regarding the origin of oil: Bull. Geol. Soc. Am., vol. 28, 1917, p. 732.

[23] McCoy, A. W., Notes on principles of oil accumulation: Jour. Geol., vol. 27, 1919, pp. 252-262.

[24] White, David, Genetic problems affecting search for new oil regions: Mining and Metallurgy, Am. Inst. of Min. Engrs., No. 158, Sec. 21, Feb., 1920.

[25] Mehl, M. G., Some factors in the geographic distribution of petroleum: Bull. Sci. Lab., Denison Univ., vol. 19, 1919, pp. 55-63.

[26] Schuchert, Charles, Petroliferous provinces: Bull. 155, Am. Inst. Mining and Metallurgical Engrs., 1919, pp. 3059-3060.

[27] Loc. cit., p. 20.

[28] Просачивания или остаточное битуминозное вещество вблизи поверхности могут быть обусловлены выходом нефтяного материала вверх через трещины в породах, перекрывающих резервуар, и непосредственно под такими выходами могут быть обнаружены продуктивные залежи. В других регионах подобные поверхностные признаки могут означать, что пласт, на выходе которого они обнаружены, является нефтеносным; однако скопления нефти, если они присутствуют, могут находиться в нескольких милях вниз по падению пласта, в местах, где структурные условия были благоприятными. В других случаях просачивание могло существовать столь долго, что резервуар оказался истощен. Следует также помнить, что выходы газа обычны в топях и болотах, где разлагается растительность, и они могут не иметь никакого значения при поиске нефти.

[29] Arnold, Ralph, Conservation of the oil and gas resources of the Americas: Econ. Geol., vol. 11, 1916, pp. 321-322.

[30] Горючие сланцы также могут давать большие количества топливного и светильного газа, а также аммиака (см. стр. 101–102).

ГЛАВА IX

МИНЕРАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЖЕЛЕЗА И СТАЛИ (ГРУППА ФЕРРОСПЛАВОВ)

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Железо, сталь и их сплавы являются наиболее широко используемыми металлами. Сырье, необходимое для их производства, включает широкий спектр минералов.

Железо является основным элементом в этой группе; однако в производстве железа и стали важную роль играют марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, цирконий, титан, алюминий, уран, магний, фтор, кремний и другие вещества, выступающие либо в качестве вспомогательных компонентов при реакциях в печи, либо в качестве ингредиентов, вводимых для придания продуктам определенных качеств.

Почти все части света в обозримом будущем будут в достаточной мере обеспечены железными рудами, но их интенсивное использование до сих пор ограничивалось главным образом странами, граничащими с Северной Атлантикой — Соединенными Штатами, Германией и Англией, — которые, обладая достаточными запасами угля, проявили инициативу в развитии крупных отраслей черной металлургии. Китай располагает богатыми запасами угля, умеренными количествами железной руды и многочисленным населением, но потребление изделий из железа и стали на душу населения там низкое. Развитие его черной металлургии только начинается. Япония не имеет ни угля, ни железа в достаточных количествах, что и объясняет усилия японцев в последние годы по контролю над минеральными ресурсами Китая и других стран. В результате войны Германия в значительной степени лишилась своих железных руд, и Франция может занять положение в производстве железной руды, которое когда-то удерживала Германия. Швеция и Испания были значительными производителями железной руды, но обе страны испытывают недостаток угля, в результате чего их руды в основном экспортировались в Англию и Германию. С ростом потребления на душу населения в отдаленных частях мира черная металлургия начинает развиваться локально в небольших масштабах, как, например, в Индии, Южной Африке и Австралии. Россия располагала достаточными запасами угля и железа, но уровень промышленного развития этой страны не требовал значительного расширения ее черной металлургии.

Существует тенденция к концентрации производства железа и стали в сравнительно немногих местах земного шара, благоприятствующих сочетанию наличия угля, железа, транспорта, близости к потребителям, инициативы и способности воспользоваться ситуацией, а также других факторов. Даже если на бумаге условия в отдаленных территориях могут казаться благоприятными для создания дополнительных предприятий, это развитие часто сдерживается конкуренцией со стороны уже существующих центров. На западном побережье Соединенных Штатов имеется сырье для черной металлургии, и в течение многих лет ведутся дискуссии о возможности создания успешной крупномасштабной сталелитейной промышленности. Покупательная способность местного населения в отношении всех видов изделий из железа и стали, по-видимому, достаточно велика, чтобы оправдать такие действия. Однако спрос существует на чрезвычайно разнообразный ассортимент изделий из железа и стали; и создание промышленности, производящей лишь несколько видов более грубой продукции, такой как чугун и полуфабрикаты, не удовлетворило бы этот спрос. Для решения этой задачи потребовалось бы также создание всех разновидностей отделочных предприятий и сопутствующих заводов. Это потребовало бы значительного капитала. Кроме того, местный спрос на некоторые вспомогательные готовые изделия может не оправдать создание вспомогательных производств.

На протяжении всей истории черной металлургии наблюдалась заметная тенденция к перемещению железной руды в регионы добычи угля, а не угля в регионы добычи железной руды. Фактор угля или энергии, по-видимому, в конечном счете является определяющим. Это в значительной степени объясняется тем, что уголь служит основой для огромного разнообразия отраслей промышленности, для которых железная руда является лишь одним из видов сырья, и которые настолько взаимосвязаны, что не всегда легко перенести черную металлургию в место, близкое к источникам железной руды, где можно было бы производить только железо и сталь.

Что касается запасов железной руды надлежащего качества и количества, то Соединенные Штаты более самодостаточны, чем любой из их конкурентов. Они импортируют небольшие количества руды с Кубы и из Канады, и даже из Чили и Швеции, в приграничные пункты, в основном только потому, что эта импортная руда может конкурировать по цене с отечественной. Однако полное исключение этих руд мало повлияло бы на общий объем нашей черной металлургии, хотя, вероятно, это отразилось бы на распределении, в ущерб предприятиям вдоль побережья. Существует только один вид железной руды, в котором Соединенные Штаты испытывают нечто близкое к дефициту, — это руда с чрезвычайно низким содержанием фосфора, пригодная для производства так называемого малофосфористого чугуна, необходимого для некоторых специальных сталей. Военные требования во время войны повысили спрос на эти стали. Хотя некоторые из этих руд с чрезвычайно низким содержанием фосфора добываются в Соединенных Штатах, дополнительные количества требовались из Испании и Канады, а в меньшей степени — из Северной Африки и Швеции. Кроме того, испанский пирит, импортируемый обычно из-за содержания серы, при обжиге оставляет остаток оксида железа с чрезвычайно низким содержанием фосфора, который используется аналогичным образом. Таким образом, прекращение импорта пирита из Испании во время войны стало значительным фактором, способствовавшим дефициту малофосфористых железных руд. Военный опыт показал, что Соединенные Штаты зависели от иностранных источников в отношении 40 и более процентов своих потребностей в этом плане. Определенные разработки, в частности проект по обогащению кремнистых руд восточной части хребта Месаби, делают вероятным, что будущая внутренняя добыча сможет в большей степени удовлетворять эти потребности.

Эквивалент 15 процентов железной руды, добываемой в Соединенных Штатах, экспортируется в виде руды в канадские порты на Великих озерах и в виде сырых изделий из железа и стали во многие части мира. Англия и Германия являются почти единственными конкурентами в экспортной торговле.

Когда мы переходим к минералам, используемым для создания сплавов железа и в качестве вспомогательных материалов в производстве железа, оказывается, что ни одна из основных стран — производителей железа и стали в мире не является самообеспеченной, и что эти «улучшающие добавки» должны поступать из самых отдаленных уголков земли. Важность этих второстепенных компонентов совершенно несоразмерна их объему. Например, для производства тонны стали требуется всего четырнадцать фунтов марганца, однако тонну стали невозможно произвести без марганца. Растущая специализация изделий из железа и стали, а также быстро расширяющиеся знания о качествах различных сплавов постоянно смещают спрос от одного минерала для ферросплавов к другому. Каждый из минералов для ферросплавов можно рассматривать как своего рода ключевой минерал для черной металлургии, и контроль над месторождениями этих минералов является предметом международного значения. Контроль не является сложной задачей, учитывая тот факт, что основные запасы практически каждого из легирующих минералов сосредоточены в сравнительно немногих точках земного шара, как указано на следующих страницах.

Природа не наделила Соединенные Штаты, да и вообще североамериканский континент, адекватными запасами высококачественных основных минералов для ферросплавов — за исключением молибдена, а также кремнезема, магнезита и плавикового шпата, которые используются в качестве вспомогательных материалов в процессе производства стали. Обладая достаточным количеством железной руды и угля, а также мощностями по производству железа и стали, составляющими более 50 процентов от мирового объема, Соединенные Штаты в значительной степени зависят от других стран в поставках минералов для ферросплавов. Война заставила осознать этот факт. С закрытием иностранных источников поставок одно время казалось, что наша сталелитейная промышленность будет очень сильно затруднена; и были предприняты чрезвычайные усилия для поддержания каналов импорта, пока не удалось что-то сделать в плане развития, даже при чрезмерных затратах, внутренних поставок. Результатом военных усилий стало очень значительное развитие внутренних поставок практически всех минералов для ферросплавов; но ни в одном случае, за отмеченными выше исключениями, они не оказались достаточными для удовлетворения общих потребностей. Это развитие происходило при больших затратах и некотором ущербе для металлургической эффективности из-за низкого и изменчивого качества сырья. С возобновлением импорта после войны большая часть внутреннего производства была вынужденно прекращена, и значительные суммы денег, патриотично потраченные на попытки удовлетворить внутренние потребности, были потеряны. Эти обстоятельства привели к требованиям в Конгрессе со стороны производителей о прямой финансовой помощи и введению защитных тарифов, чтобы позволить новым борющимся отраслям существовать и обеспечить развитие адекватных внутренних поставок. Такие тарифы могли бы быть полезны для этих конкретных отечественных отраслей, если бы они были мудро спланированы; но также, учитывая ограниченное количество этих конкретных руд в этой стране, их общее низкое качество и высокую стоимость добычи, тарифы, весьма вероятно, могли бы ускорить истощение наших ограниченных запасов и могли бы поставить в невыгодное положение наши металлургические отрасли как в плане эффективности, так и затрат (см. стр. 365–366, 393–394).

ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ

Экономические особенности

Технические и коммерческие факторы, определяющие использование минералов железной руды. В популярном представлении железная руда — это просто железная руда, и мало кто осознает ее действительно большую сложность состава и трудность определения того, является ли руда коммерческой или нет. Процентное содержание железа, конечно, является важным фактором; но руда, в которой железо находится в минерале гематите, более ценна, чем руда с эквивалентным процентным содержанием железа в форме магнетита. Вещества, присутствующие в руде в небольших количествах, такие как фосфор, сера и титан, имеют тенденцию делать железный продукт хрупким, либо в холодном состоянии, либо в процессе производства, поэтому чрезмерное количество этих веществ может дисквалифицировать руду. Чрезмерное количество кремнезема, извести или магнезии может сделать руду нежелательной. Там, где кислое вещество, такое как кремнезем, сбалансировано основными компонентами, такими как известь и магнезия, можно использовать значительные количества обоих. Чрезмерное содержание влаги может испортить руду из-за количества тепла, необходимого для ее удаления при плавке.

Металлургические процессы черной металлургии по существу адаптированы к основным доступным сортам руды. Самый дешевый из процессов производства стали, называемый кислородно-конвертерным процессом Бессемера, требует руды с очень низким содержанием фосфора (обычно ниже 0,050 процента в Соединенных Штатах и ниже 0,030 процента в Англии). Основные мартеновские процессы, производящие две трети стали в Соединенных Штатах, допускают более высокое содержание фосфора, но не неограниченное. Основной процесс Бессемера (Томаса), используемый для «минеттовых» руд Западной Европы и шведских магнетитов, может использовать руду с любым содержанием фосфора выше 1,5 процента. Фосфатный шлак от этого процесса используется в качестве удобрения. Запасы малофосфористой бессемеровской руды в Соединенных Штатах в настоящее время ограничены по сравнению с запасами небессемеровских руд, в результате чего строительство сталелитейных заводов в течение многих лет в основном ориентировалось на мартеновское производство. Мартеновский процесс предпочтителен также потому, что он позволяет более точно контролировать содержание фосфора в стали.

Небольшие, но растущие объемы стали также производятся в электрических печах; однако по большей части этот процесс дороже остальных, и он используется главным образом для специальных легированных сталей.

Железные руды редко бывают настолько однородными по качеству, чтобы их можно было отгружать без тщательного внимания к отбору проб и сортности. В районе озера Верхнее руды ежедневно отбираются по мере добычи, и принимаются все меры для смешивания и погрузки руды таким образом, чтобы можно было получить желаемые сорта. Обычно одно месторождение дает несколько сортов руды. Когда руды загружаются в печь для плавки, смеси подбираются с большой осторожностью для конкретной цели, для которой будет использоваться продукт. Смесь составляется так же тщательно, как рецепт аптекаря. Продавец руды, выяснив характер продукции железа и стали на заводе, должен проявить большое мастерство, предлагая к продаже конкретные руды, которые не только будут соответствовать желаемому сорту по всем элементам, но и выдержат конкуренцию по цене. В некотором отношении маркетинг различных сортов железной руды так же сложен, как маркетинг разнообразного ассортимента товаров. С рудами, как и с товарами, играют свою роль обычаи и настроения, в результате чего две руды, идентичные по минералогическому и химическому составу, могут иметь совершенно разную популярность и цену просто из-за того, что печники привыкли к одной, а не к другой, и не желают экспериментировать.

Геолог обычно озабочен лишь поиском руды как можно более высокого общего качества; но он часто с удивлением обнаруживает, что его усилия были направлены на открытие чего-то, что из-за некоторого незначительного дефекта в текстуре, минералогическом или химическом составе трудно внедрить на рынок. Здесь существует перспективная область, промежуточная между геологией (или минералогией) и металлургией, для применения принципов химии, металлургии и минералогии, которая в настоящее время занята главным образом продавцом руды. И минералог, и металлург касаются этой проблемы, но они не охватывают ее полностью. С все более точными и быстро меняющимися металлургическими требованиями эта область требует научного развития.

Географическое распределение добычи железной руды. Железные руды широко распространены по всему миру, но добываются и переплавляются в больших масштабах только в немногих местах, где удачно сочетаются высокое качество, большое количество, близость угля, дешевая транспортировка к рынкам и производственное предпринимательство. Более 90 процентов мировой добычи железной руды приходится на страны, граничащие с бассейном Северной Атлантики. Соединенные Штаты производят около 40 процентов, Франция — около 12 процентов, Англия — около 10 процентов, Германия до войны — 15–20 процентов, а Испания, Россия и Швеция — каждая около 5 процентов. Меньшими производителями являются Люксембург, Австро-Венгрия, Куба, Ньюфаундленд и Алжир; незначительные количества добываются во многих других частях мира. Из мировых мощностей по производству железа и стали Соединенные Штаты имеют около 53 процентов, Германия — 16 процентов, Англия — 14 процентов, Франция — 10 процентов, остальная часть Европы (главным образом Россия, Австро-Венгрия и Бельгия) — 7 процентов. Отсутствие значительной добычи железной руды и производства железа и стали как в южном полушарии, так и в любой из стран, граничащих с Тихим океаном, является примечательной чертой, если вспомнить, какую роль железо играет в современной цивилизации. Япония, однако, начинает развивать значительную черную металлургию, которая обещает использовать большое количество руды из Китая, Маньчжурии и Кореи и, возможно, конкурировать на рынках американского Тихоокеанского побережья.

В Соединенных Штатах около 85 процентов добычи, или одна треть мировой добычи, приходится на район озера Верхнее, значительная часть остального — на район Бирмингема, штат Алабама, и меньшие количества — на Адирондак. Для остальной части североамериканского континента единственным крупным месторождением является месторождение на острове Бель-Иль, Ньюфаундленд, которое является основой черной металлургии восточной Канады. Куба поставляет некоторое количество руды на восточное побережье Соединенных Штатов.

В Европе есть только три крупных источника высококачественной железной руды, которые до сих пор широко использовались: магнетитовые месторождения северной Швеции, гематиты и сидериты Бильбао и прилегающих районов северной Испании, а также магнетит-гематитовые месторождения южной России. Первые две из этих руд использовались для повышения процентного содержания железа в низкосортных рудах, которые являются основной опорой Западной Европы. Шведские руды также были необходимы для повышения процентного содержания фосфора и, таким образом, делали руды пригодными для процесса Томаса; с другой стороны, испанские руды и небольшая часть шведского материала были востребованы из-за низкого содержания фосфора, адаптированного к кислому бессемеровскому процессу и производству малофосфористого чугуна. Российские руды в основном переплавлялись в самой стране.

Крупнейшим из западноевропейских низкосортных месторождений является географическая и геологическая единица, охватывающая части Лотарингии, Люксембурга и непосредственно прилегающие районы Бри, Лонгви и Нанси во Франции. Руды этого региона называются «минеттовыми». Эта единица производит около четверти мировой железной руды. Низкосортные месторождения несколько схожего характера в районах Кливленда, Линкольншира и прилегающих к ним районах Англии составляют основную базу британской промышленности. Существует незначительная добыча железных руд в других частях Франции и Германии, в Австро-Венгрии и в Северной Африке (последние важны из-за низкого содержания фосфора).

Сравнение показателей потребления и добычи железных руд указывает на то, что Соединенные Штаты, Франция, Россия и Австро-Венгрия являются самообеспеченными в том, что касается количества материалов. Однако определенные руды специальных сортов и руды других минералов группы ферросплавов, необходимых для производства стали, должны импортироваться из иностранных источников; этот вопрос обсуждался выше. Великобритания и Германия, по-видимому, зависят от иностранных источников, даже в довоенных условиях, в части материала для своих печей. Во время войны значительное развитие получили низкосортные английские руды, но это не устраняет необходимость импорта высококачественных руд для смешивания. Бельгия производит очень малый процент своих потребностей в руде и практически зависит от Лотаринго-Люксембургского месторождения.

Основным эффектом войны на добычу железной руды стала оккупация немцами крупного французского горнодобывающего и металлургического района, тем самым лишив французов их крупнейшего источника железной руды. После войны ситуация изменилась на обратную: Франция теперь владеет Лотарингским месторождением, которое ранее обеспечивало Германию 70 процентами железной руды. Поскольку промышленная жизнь Германии в значительной степени основана на производстве железа и стали, проблема поставок руды для Германии сейчас является критической. Это привело к активности Германии в Чили и может привести к развитию Германии в Восточной Европе и Западной Азии, особенно в крупных и выгодно расположенных запасах южной России. Однако представляется вероятным, что будут приняты меры для продолжения экспорта руды из Лотарингского месторождения вниз по Рейну в основные немецкие металлургические центры. Франция нуждается в немецком угле для коксования так же сильно, как Германия нуждается во французской железной руде. Долина Рейна является соединительным каналом для сбалансированного движения товаров, определяемого естественными условиями. Эти базовые условия, вероятно, в долгосрочной перспективе перевесят политические соображения.

Месторождения озера Верхнее, шведские магнетиты, испанские гематиты и российские руды содержат от 50 до 65 процентов металлического железа. Бирмингемские месторождения юго-востока Соединенных Штатов, основные британские поставки, а также основные французские и немецкие поставки содержат около 35 процентов или менее. Только там, где руды удачно расположены по отношению к центрам потребления, можно использовать низкосортные месторождения. Для отдаленных территорий, вероятно, будут разрабатываться только более высококачественные месторождения, и даже там известно много высококачественных месторождений, которые не разрабатываются. Крупнейшая отдельная группа, еще не затронутая, находится в Бразилии. Другие, находящиеся на очень ранней стадии разработки, находятся в Северной Африке и Чили.

Мировые запасы и будущая добыча железной руды. Средний уровень потребления железной руды в мире в последние годы составлял около 170 миллионов тонн в год. При таком уровне доказанные запасы руды продержались бы около 180 лет. Если предположить, что потребление в будущем будет расти примерно такими же темпами, как и в прошлом, общих измеренных запасов все равно хватило бы примерно на столетие. Однако эти расчеты срока службы основаны только на известных запасах; а когда включаются потенциальные запасы, срок службы значительно увеличивается. И это еще не все; ибо помимо общих заявленных запасов (как фактических, так и потенциальных) известны дополнительные большие количества руд более низкого качества, в настоящее время коммерчески недоступных, но которые будут доступны в будущем, — не говоря уже об ожидаемых будущих открытиях руд всех сортов на неисследованных территориях. Как геологические выводы, так и история разведки железной руды делают такие будущие открытия практически несомненными. Железная руда составляет около 4 процентов земной оболочки и демонстрирует все стадии концентрации до 70 процентов. «Железными рудами» называются только те породы, которые имеют достаточно высокий процент железа, чтобы быть адаптированными к современным процессам извлечения железа. Когда этого потребуют экономические условия, можно предположить, что железосодержащие породы, которые сейчас обычно не рассматриваются как руды, могут быть использованы с коммерческой выгодой и, следовательно, станут рудами.

Обеспечен не только неопределенно долгий срок службы запасов железной руды в целом, но то же самое верно и для многих основных групп месторождений.

Вопрос, представляющий для нас практический интерес, поэтому заключается не в общих запасах железной руды, а в степени доступности различных руд для рынков, которые фокусируют наши потребности в железе.

Годовая добыча руды из данного района является грубой мерой способности этой руды соответствовать конкурентному рынку, а следовательно, ее фактической немедленной или прошлой доступности. Годовая добыча — это чистый результат взаимодействия всех факторов, влияющих на доступность. Можно утверждать, что существуют известные, но еще не добываемые руды, которые также являются немедленно доступными. В целом они кажутся менее доступными, чем руды, которые фактически добываются; в противном случае общее экономическое давление потребовало бы их использования и фактической добычи.

При рассмотрении будущей доступности железных руд очевидно, что таблицы прошлой добычи дают лишь частичную основу для прогнозирования. По-видимому, можно ожидать, что районы, которые в прошлом добывали значительные объемы, останутся важными факторами. В этих случаях добыча продемонстрировала доступность. Таким образом, можно ожидать продолжения интенсивной добычи руд района озера Верхнее, клинтонских гематитов Алабамы, руд Лотаринго-Люксембургско-Брийского района, кливлендских руд Англии, бильбаоских руд Испании, высококачественных магнетитов северной Швеции и (при условии политической стабильности) руд южной России.

Аналогичным образом, недавнее увеличение добычи в определенных районах, вероятно, свидетельствует о расширении использования таких руд в будущем. Среди этих разработок — увеличение добычи шведских руд и их импорт в Англию и Германию, а также растущее использование клинтонских гематитов и адирондакских магнетитов в Соединенных Штатах. Низкосортные руды из огромных запасов Кубы добываются и доставляются на восточное побережье Соединенных Штатов во все возрастающих количествах, и весьма вероятно, что они займут большую долю рынка. Ожидается, что аналогичный проект в Чили, который во время войны находился в состоянии покоя из-за ограниченных возможностей судоходства, в ближайшем будущем даст важные поставки в Соединенные Штаты. Ни в одном из этих случаев добыча в ближайшем будущем не будет ограничена запасами руды. Увеличение добычи и использования железных руд также следует ожидать в Ньюфаундленде, Северной Африке, Китае, Индии, Австралии и Южной Африке.

На коммерческом горизонте появляются руды еще более новых районов, доступность которых нельзя прочитать по таблицам добычи. Их доступность должна определяться анализом и измерением факторов, влияющих на доступность. Доступность железной руды определяется процентным содержанием железа, процентным содержанием примесей, процентным содержанием полезных или вредных второстепенных компонентов, физической текстурой, условиями для прибыльной добычи, адаптируемостью к современной практике плавки, расстоянием от центров потребления, условиями и стоимостью транспортировки, географическим и транспортным отношением к углю и флюсам, необходимым для плавки, торговыми отношениями, тарифами и налогами, инерцией инвестированного капитала и другими соображениями. Все эти факторы являются переменными. Сравнение руд на основе любого одного из этих факторов или любых двух-трех из них, скорее всего, будет вводить в заблуждение. Сравнение, основанное на количественном рассмотрении всех нескольких факторов, представляется практически невозможным из-за трудности точного установления количественного диапазона и важности каждого фактора, а также из-за трудности интеграции всех факторов, даже если бы они были определены. Однако их совокупный эффект выражается в стоимости доставки продукта на рынок; и сравнение затрат дает средство сравнения доступности руд. Высококачественная руда, дешево добываемая и выгодно расположенная по отношению к пунктам спроса, будет иметь относительно высокую цену в пункте добычи. Та же руда, расположенная так, что ее транспортные расходы выше, будет иметь более низкую цену; или она может быть расположена так, что затраты на добычу и доставку в места, где ее можно использовать, настолько высоки, что операция не приносит прибыли. Известны высококачественные железные руды, которые из-за стоимости недоступны в нынешних условиях.

Таким образом, доступность руды зависит от ее отношения к рынку — может ли она после покрытия транспортных расходов быть продана по преобладающим рыночным ценам в центрах потребления и при этом оставить справедливую норму прибыли для горнодобывающей операции. Ценовое равновесие между центрами потребления обеспечивает разумно единую основу, по которой можно измерять доступность руд.

Цифры затрат можно получить в качестве основы для сравнения доступности железных руд некоторых районов, но их недостаточно для сравнения руд всех районов. Тщательное изучение затрат продемонстрировало доступность в ближайшем будущем бразильских высококачественных бессемеровских гематитов; и проекты, которые сейчас находятся в стадии реализации для экспорта в Англию и Соединенные Штаты, несомненно, заставят этот огромный запас играть важную роль в черной металлургии. Железная руда известна, но еще не добывается во многих частях западной части Соединенных Штатов и западной Канады. С ростом населения вдоль западного побережья Северной Америки проекты по плавке руды там становятся более определенными. Создание плавильных заводов на западном побережье сделало бы доступным большой запас руды (см. также, однако, стр. 155).

Список изменений, происходящих сейчас или весьма вероятных в будущем, может быть значительно расширен. Использование железа и стали быстро распространяется по густонаселенным частям мира, которые до сих пор требовали мало этих продуктов. Это возросшее использование способствует развитию местных центров плавки, что сделает доступными другие крупные запасы железной руды. Рост плавки в Индии, Китае и Австралии иллюстрирует эту тенденцию.

Запасы железной руды настолько велики, разнообразны и широко распространены по всему земному шару, что они будут удовлетворять предъявляемые к ним требования в отдаленном будущем. Запасы становятся доступными и ценными только благодаря затратам усилий и денег. Руды — это множимое, а человек — множитель в произведении, которое представляет собой ценность или доступность. Железную руду можно сделать доступной, когда это необходимо, практически в любом количестве, но при сильно варьирующихся затратах и степени усилий. Руды самого высокого качества, требующие минимальных затрат для того, чтобы сделать их доступными, явно ограничены по сравнению с общими запасами. Любая расточительность в их использовании приведет быстрее к использованию менее доступных руд по более высокой цене. Одним из значительных последствий истощения запасов самого высокого качества будет увеличение нагрузки на топливные ресурсы для плавки руд более низкого качества. Доступность железных руд ограничена не общими запасами, а экономическими условиями.

Геологические особенности

Железо редко встречается в природе как отдельный элемент. Оно встречается главным образом в минералах, которые представляют собой соединения железа, кислорода и воды, веществ, составляющих ржавчину. Очень широко большинство железных руд можно грубо классифицировать как ржавчину. В деталях эта группа представлена несколькими минеральными разновидностями, главными из которых являются гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4) и лимонит (гидратированный оксид железа). Железо также соединяется с довольно разнообразными веществами, помимо кислорода; и некоторые из этих соединений, как, например, карбонат железа (сидерит), силикат железа (шамозит, глауконит и др.) и сульфид железа (пирит), локально добываются как железные руды. Хотя руда железа может состоять преимущественно из какого-то одного из железных минералов, в редких случаях она состоит исключительно из одного минерала. Большинство руд представляют собой смеси железных минералов.

Полностью девять десятых мировой добычи железа приходится на так называемые гематитовые руды, что означает руды, в которых гематит является доминирующим минералом, хотя большинство из них содержит другие железные минералы в меньших количествах. Около 5 процентов мировых железных руд составляют магнетиты, а остальные — лимониты и карбонаты железа.

Железные руды представлены почти на всех фазах метаморфического цикла, но основные коммерческие ценности были созданы процессами выветривания и осадконакопления на поверхности и вблизи нее.

Осадочные железные руды. Более 90 процентов мировой добычи железной руды приходится на осадочные породы. Месторождения состоят в основном либо из пластов железной руды, которые были первоначально отложены как таковые и претерпели незначительные последующие изменения, либо из тех измененных частей бедных железистых пластов, которые после их отложения были достаточно обогащены или сконцентрированы, чтобы образовать руды. Меньший класс железных руд в осадках состоит из месторождений, образованных путем вторичного замещения известняков поверхностными водами, несущими железо в растворе.

1. Месторождения первого класса — первоначально отложенные почти в их нынешнем виде — обычно либо оолитовые, т. е. содержащие огромное количество плоских округлых зерен железных минералов, похожих на льняное семя, либо состоят в значительной части из фрагментов окаменелых морских раковин, замещенных железными минералами. Клинтонские руды Бирмингемского района, руды Вабана на Ньюфаундленде, минеттовые руды Лотарингского района в Центральной Европе и оолитовые руды северной Англии — все относятся к этим типам. Их основным железным минералом является гематит, хотя английские руды также содержат значительное количество карбоната железа или сидерита. Цементирующие или жильные породы — это главным образом кальцит и кварц в различных пропорциях.

Крупные запасы высококачественного гематита в районе Минас-Жерайс в Бразилии также являются первичными осадками, но лишены оолитовой текстуры.

Незначительная доля мирового железа получается из «болотных руд», которые представляют собой осадочные отложения гидратированного оксида железа в болотах и озерах. Эти руды использовались только в небольших масштабах и главным образом в относительно неразвитых странах. Они представляют особый интерес с генетической точки зрения, поскольку показывают природу некоторых процессов отложения железной руды, как это происходит сегодня.

Ни одна из руд этого класса, за исключением карбонатов железа, не претерпела сколько-нибудь значительного поверхностного обогащения после своего первичного отложения. Также, за исключением бразильских руд, они не претерпели глубокого метаморфизма. Формы, размеры и распределение месторождений могут быть прослежены до условий первоначального отложения. В Англии и Западной Европе основные месторождения были лишь слегка наклонены складчатостью. В Соединенных Штатах клинтонские руды участвовали в аппалачской складчатости. В Бразилии руды претерпели интенсивную складчатость и анаморфизм.

2. Месторождения второго класса, которые обязаны большей частью своей ценности дальнейшему обогащению после отложения, представлены гематитовыми рудами района озера Верхнее. Их можно рассматривать как локально проржавевшие и выщелоченные части обширных «железистых формаций», в которых окисление железа и выщелачивание кремнезема и других веществ циркулирующими водами оставили менее растворимые железные минералы, сконцентрированные в виде руд. Железистые формации озера Верхнее сейчас состоят вблизи поверхности главным образом из переслаивающихся кварца (или кремня) и гематита, называемых джаспером, или железистым кремнем, или таконитом. Они схожи по составу с более бедными железными рудами Бразилии, называемыми итабиритами, но отличаются тем, что кремнезем находится в форме химически отложенного кремня, а не обломочных зерен кварца.

Рис. 11. Изменение железистой формации озера Верхнее в железную руду путем выщелачивания кремнезема.

При первоначальном отложении железо было частично гематитом (возможно, некоторым количеством магнетита) и в значительной степени в форме карбоната железа (сидерита) и силиката железа (гринэлита), переслаивающихся с кремнем. Первоначальное состояние подтверждается тем фактом, что глубоко под поверхностью, в зонах, защищенных от выветривающих растворов, сидерит и гринэлит обильны, и что они показывают полный переход к гематиту при приближении к поверхности. Руда была сконцентрирована в железистой формации почти исключительно процессом выщелачивания кремнезема поверхностными или метеорными водами, оставляя гематит в пористой массе. Рисунок 11 иллюстрирует это изменение, рассчитанное на основе анализов и измерений порового пространства. В процессе этого очень незначительное количество железа было перенесено и переотложено. Короче говоря, железные руды озера Верхнее — это остаточные месторождения, образованные точно такими же процессами выветривания, которые вызывают накопление глин, бокситов и оксидных зон сульфидных месторождений. Развитие железной руды, а не других материалов в качестве конечного продукта, обусловлено лишь специфическим составом материнской породы. Растворение кремнезема в таком огромном масштабе, как это показано этими месторождениями, иногда ставилось под сомнение на общем основании, что минералы кремнезема нерастворимы. Однако существует множество доказательств того, что такие минералы растворимы в природе; и предположение о нерастворимости, так часто делаемое в геологических дискуссиях, основано на том факте, что большинство других минералов более растворимы, чем минералы кремнезема, и что в конечных продуктах выветривания минералы кремнезема поэтому обычно остаются важными компонентами. Оксид железа, с другой стороны, менее растворим даже, чем кремнезем, — в результате чего, когда они встречаются вместе, доказательства выщелачивания кремнезема из смеси становятся заметными.

Тот факт, что эти месторождения являются почти исключительно остаточными месторождениями, образованными выщелачиванием кремнезема, имеет важное значение для разведки. Если они были образованы путем переноса и отложения железа из окружающих пород, нет причин, по которым они не могли бы время от времени встречаться в жилах и дайках за пределами железистой формации. На самом деле они не выходят ни на фут за пределы железистой формации. Неспособность распознать истинную природу концентрации этих руд иногда приводила к их ошибочной классификации как руд, полученных из выщелачивания и переотложения железа из окружающих пород.