Transcript آهن
1 موضوع :آهن تهیه کننده :فرزانه محمدی استاد مربوطه :جناب آقای دکتر زرین کوب تاریخ :اردیبهشت 93 2 فهرست : مقدمه کانی شناسی و کانسارها ژئوشیمی نهشته ها و تشکیالت پتانسیل آهن در ایران 3 مقدمه: آهن عمال به اندازه چند درصد در تمام سنگهای رسوبی وجود دارد ،جایی که بیش از 15%آهن داشته باشد سنگها یا سازندهای آهندار تشکیل می شوند .ذخایر مهم آهن دنیا در این نهشته های آهن قرار دارد. آهن در گروه عناصر واسطه ،کالکوفیل ،لیتوفیل و سیدروفیل قرار دارد و به عنوان یکی از فراوانترین عناصر موجود در پوسته بعد از Siو Alشناخته شده است .این عنصر به دوشکل فرو ( )𝐹𝑒 +2و فریک ( )𝐹𝑒 +3در طبیعت دیده میشود. 4 رفتار آهن و ته نشست کانی های آن به شدت توسط شیمی محیط های سطحی ودیاژنتیکی کنترل میشود.بیشترسازندهای آهن به سن فانروزوییک یا اوایل پرکامبرین میانی میباشند. یک فاکتور پیچیده در تعبیر و تفسیر بسیاری از سنگ های رسوبی غنی از آهن این است که امروزه مشابهی برای مقایسه وجود ندارد. تنها رسوبات آهن داری که با گسترش زیاد و درحال حاضر تشکیل می شوند ،در دریاچه ها و باتالق ها در عرض جغرافیایی متوسط و باال میباشد. اکثر نهشته های رسوبی آهن دار تحت شرایط دریایی تشکیل می شود .بسیاری از رسوبات آهن دار فانروزوئیک حاوی فسیل های نرمال دریایی هستند. 5 6 7 دو منشا برای آهن در نظر می گیرند : .1پدیده آتشفشانی :در این مورد آهن میتواند توسط گازهای متصاعد شده هیدروترمالی و هوازدگی زیر دریایی توده های بیرونی تامین شود. .2هوازدگی قاره ها :هوازدگی شدید در آب و هوای گرم و مرطوب آهن را از کانیهای مافیک و کانیهای سنگین آذرین و سایر سنگ ها آزاد نموده و آبهای زیرزمینی حاوی آهن و خاکهای التریتی غنی از آهن را تولید میکند.در اثر فرسایش این خاکها آهن توسط رود خانه به دریا حمل می شود. 8 سه مکانیزم برای حمل آهن در نظر میگیرند: .1جذب و تجزیه با مواد آلی .2تشکیل کلوئید های معلق و حمل توسط رودها .3تشکیل پوشش های اکسیدی در سطح رس ها تشکیل سنگهای آهن دار در جایی مناسب است که نرخ رسوب گذاری ،مواد سیلیسی آواری و هم کربناته پایین باشد. در محیط هایی که اکسیژن کم و دی اکسید کربن باالیی دارند قادر به آبشوئی آهن و حمل آن به صورت فرو میشود. 9 10 11 کانی شناسی : کانی های آهن دار در طبیعت فراوان بوده و تعداد آن ها بالغ بر 300نوع می باشد که اکثر آن ها از نظر استخراج متالورژی آهن به علت عیار کم آهن در آن ها یا همراه بودن با کانی های عناصر نامطلوب که تصفیه و جداسازی آن ها مشکل یا غیر ممکن است ،غیر قابل کاربرد بوده و تنها تعداد معدودی از آن ها که به طور کلی اکسیدهای آهن هستند ،برای این منظور اهمیت عملی دارند. کانی شناسی در کاربرد سنگ های معدن آهن اهمیت فراوانی دارد .بسیاری از کانی ها که ممکن است عیار باالیی از آهن داشته باشند ولی به علت نوع ترکیب کانی به عنوان ماده اولیه آهن و فوالد قابل استفاده نیستند .مثال فایالیت ( )SiO2.2FeOبا وجود آنکه از آهن نسبتا غنی می باشد (عیار حدود 55درصد) ولی به علت ترکیب سیلیکاته آن که عمال در روش های تولید آهن و فوالد غیر قابل احیا می باشند ،در متالورژی آهن کاربرد ندارند. 12 در بین انواع کانی های آهن دار تعداد محدودی از آن ها از نظر متالورژی آهن مهم و قابل مصرف می باشند .مهمترین آن ها کانی های اکسیدی و سیدریت است .بعضی از کانی های اکسیدی به علت خاصیت احیا پذیری کم (مگنتیت) به صورت مستقیم کاربرد ندارند و باید مورد عملیات کلوخه سازی یا گندله سازی قرار گیرند تا شکل کانی شناسی آن در جریان این عملیات تغییر یابد و سپس به کاربرده شوند. 13 نوع کانی سختی موس رنگ مگنتیت 4O3Fe 72.4 4.9تا 5.3 5.5تا 6.5 سیاه هماتیت 3O2Fe 70 5تا 5.2 5تا 6 قرمز تا قهوه ای مارتیت 3O2Fe 70 4.8تا 5.2 6تا 7 سیاه ماگ هماتیت 3O2Fe 70 - 5 قهوه ای گوتیت )FeO(OH 62.9 4تا 4.4 4.5تا 5.5 زرد تا قهوه ای لپیدوکروسیت )FeO(OH 62.9 4 5 زرد تا قهوه ای لیمونیت FeO(OH),nH2O - 2.7تا 4.3 1تا 4 زرد تا قهوه ای تورگیت O2nH,3O2Fe2 40تا 50 4.2تا 4.7 2تا 4 سیاه سیدریت Fe3CO 48.3 3.8تا 3.9 3.5تا 4.5 قهوه ای روشن تا تیره پیریت 2FeS 46.6 4.9تا 5.2 6تا 6.5 زرد برنجی تا زرد قهوه ای پیروتیت xS-1Fe 60تا 61 4.5تا 4.7 4 زرد برنجی تا زرد قهوه ای لئولیینزیت 2FeAs 27.2 7تا 7.4 5تا 5.5 سفید نقره ای تا خاکستری آرسنوبیریت FeAsS 43.3 5.9تا 6.7 5.5تا 6 سفید تا خاکستری سول فاته مالنتریت O2H4.7FeSO 26 1.8تا 1.9 2 سبز روشن کانی سیل یکاته اکس یدی اکس یدها ی آبدار کربن اتی سول فوری آرس نیکی 14 سایر ترکیب شیمیایی وزن مخصوص (گرم آهن در کانی خالص به ازای سانتی متر (درصد) مکعب) فایالیت 2Fe.SiO2 55 4تا 4.35 6تا 6.5 سبز تیره -زرد ایلمنیت 2FeO.TiO 36.8 4.72 5تا 6 خاکستری 15 16 17 18 آهن از نظر کانی شناسی به 4دسته اصلی تقسیم میشود : .1اکسیدها .2سولفورها .3سیلیکاتها .4کربناتها 19 اکسیدها : گوتیت : FeO OH اکسید آهن اصلی در کانسنگ های جدیدتر از پرکامبرین مخصوصا در ژوراسیک است .این کانی بصورت اولیه ،همزمان بارسوبگذاری یا هوازدگی سایر کانی های آهن دار بصورت ائید و پیزوئید تشکیل می شود .این کانی در شرایط اکسیداسیونی متوسط تا قوی پایدار است.سیستم تبلور ارتورمبیک 20 21 هماتیت :Fe2O3 بیشتر در نهشته های پرکامبرین(به همراه چرت به حالت نواری) و دوران اول یافت می شود .در شرایط اکسیداسیونی متوسط تا قوی پایدار است .این کانی می تواند بصورت یک کانی اولیه ته نشین شود ،یا توسط جانشینی تشکیل شود.سیستم هگزاگونال 22 23 مگنتیت :Fe3O4 در نهشته های آهن پرکامبرین به فراوانی یافت می شود ،اما در فانروزوئیک کمتر وجود دارد. شرایط تشکیل این کانی اکتیویته کم سولفید و کربنات و Ehمنفی و pHخنثی می باشد .علت کمیاب بودن مگنتیت این است که ،مگنتیت در واقع یک محصول نهایی در فرآیند دیاژنز است ،که در دماهای باال تشکیل می شود ،سیستم مکعبی 24 25 لیمونیت FeOOH.nH2O : فرم اکسید آهن آبدار میباشد که حاوی گوتیت ،مواد دیگری نظیر رس و آب جذب شده میباشد.مواد بی شکل و زرد و حاصل هوازدگی اکسید آهن در محیط خشکی میباشد(.محیط اکسیداسیون) 26 سولفورها : پیریت :FeS2 در نهشته های آهن دار فراوانترین سولفوریست که یافت می شود .این کانی در محیط های دیاژنتیکی سولفیدی فاقد اکسیژن تشکیل میشود ..پیریت در pHباالتر از 7شکل میگیرد.دارای سیستم کوبیک میباشد. 27 28 مارکاسیت :FeS2 در آهن های فانروزوئیک مارکاسیت مخصوصا درآهن های همراه با زغال شناخته شده است. مارکاسیت شکل کمیابی از پیریت می باشد .مارکاسیت در شرایط pHپایین تر از 7شکل میگیرد.سیستم ارتورمبیک 29 30 کربنات ها : سیدریت :جزء اصلی رسوبات غنی از آهن هم در پرکامبرین و هم در فانروزوئیک است .این کانی سیمان بسیاری از االیت های برتیرین – شاموزیتی فانروزوئیک بوده و می تواند جانشین اائیدها و دانه های اسکلتی شود .کانسارهای آن به دو شکل تشکیل می شوند: 31 .1کانسارهای هیدروترمال این کانی ها در حرارت های نسبتا پایین تشکیل شده اند و معموال همراه با سولفورها یا سولفیدهای فلزی سرب ،روی و مس می باشند و گاهی نیز سیدریت به صورت کامال خالص با کلسیت در طبیعت دیده می شود. .2کانسارهای رسوبی کانسار سیدریت به صورت رسوبی در مرداب ها نیز می تواند تشکیل شده باشد .در اثر تجزیه مواد آلی در مرداب ها گاز کربنیک حاصل از این تجزیه روی کانی آهن دار اثر کرده و آن را به سیدریت تبدیل می کند .در محیط های اکسید کننده ،سیدریت ناپایدار بوده و تبدیل به گوتیت و لیمونیت می شود. کانسارهای سیدریت به طور معمول فاقد ناخالصی های نامطلوب مانند فسفر و غیره می باشد و درجه حرارت تکلیس آن ها نیز پایین و در حدود 500تا 600 درجه سانتی گراد قرار دارد .پس از تکلیس ،کانی خاصیت احیا پذیری عالی داشته و یک سنگ معدنی مطلوب برای تولید آهن و فوالد است. 32 سیلیکات ها : گرینالیت ،یک کانی مشابه سرپانتین ،بسیار دانه ریز استیلپنومالن ،دارای ساختمان مشابه با تالک (قادر به پذیرش آهن فریک) مینه سوتائیت ،یک تالک آهن دار ،یک محصول دگرگونی خیلی دما پایین. تورنژیت ،با چگالي 2/3حاوي 29-31%آهن است. نانترولیت ،رایج در کانسارهای آتشفشانی – رسوبی ،در داخل بیفها دیده نشده است ،در مراحل متوسط دیاژنز تخریب می شود. شاموزیت ،در کانسارهای فانروزوئیک است .در شیلهای مرتبط با بیفها (تشکیالت آهن الیه ای) یافت می شود( .اما بندرت در خود بیفها حضور دارد) ،با چگالي 2/3حاوي %33آهن است. 33 34 35 انواع کانسارهای آهن : رسوبي ( نواري ،الیتي ،سیدریتي ،چشمه اي و الیه اي ) ،ماگمایي ،دگرگوني ،تجزیه اي، گرمابي ،اگزالسیون دریایي و اسکارني. آهن عمدتا از کانسارهاي رسوبي الیه اي ،کانسارهاي مافیک و اولترامافیک الیه اي و اسکارن هاي آهن دار بدست مي آید. 36 37 کانسارهای آهن رسوبی : کانسارهاي آهن رسوبي وابسته به سازندهاي رسوبي اليه اليه به سن پرکامبرين بوده و %90ذخیره آهن دنیا را شامل مي شوند .به دلیل اهمیت اين کانسارها در فرآوري آهن در جهان ،بررسي هاي فراواني روي آن انجام شده است اما در ذخاير ايران يا وجود ندارد و يا کم اهمیت است. آهن موجود در کانسارهاي رسوبي شیمیایي از دو منبع تأمین مي شوند : از هوازدگي کاني هاي مافیک موجود در قاره ها فعالیت هاي آتش فشاني 38 ژئوشیمی : عوامل موثر در تشکیل آهن : EH-PH محیط های طبیعی . اکتیویته غلظت مؤثر یون های کربناته که می تواند به وسیله ی فشار نسبی دی اکسید کربن ()Pco2اندازه گیری میشود. اکتیویته گوگرد که اغلب با Psدو بار منفی نمایش داده می شود وعبارت است ازلگاریتم منفی اکتیویته یون سولفید. 39 PH-EH :PHعبارت است از اندازه گیری اسیدیته یا آلکالینیته (غلظت یون هیدروژن) :EHعبارت است از اندازه گیری حالت اکسیداسیون یا احیایی یک محلول آهن فریک تحت شرایط اکسیدی و قلیایی دارای بیشترین پایداری می باشد آهن فرو تحت شرایط احیایی و اسیدی دارای بیشترین پایداری می باشد. به عبارت دیگر در شرایط EH-PHکنونی آهن فریک بسیار نامحلول و آهن فرو به صورت محلول وجود دارد. 40 41 42 43 44 45 هماتیت :تحت شرایط اکسیداسیونی متوسط تا قوی یک کانی پایدار است.هماتیت با گذشت زمان و از دست دادن آب به گوتیت تبدیل می شود.تشکیل و حفظ هماتیت به وجود مواد آلی وابسته است. کانی فرو ،پیریت،سیدریت و مگنتیت در شرایط EHمنفی پایدارند و محدوده پایداری آن به شدت وابسته به Pco2و Psمحلول می باشد.به علت اکسیدی بودن محیط های سطحی این کانی ها معموال در رسوبات در طی دیاژنز اولیه،جایی که شرایط احیایی بر اثر تجزیه باکتریایی مواد آلی گسترش میابد ته نشین می شود. 46 سولفید برای ته نشینی پیریت عمدتا از احیای باکتریایی سولفات های محلول در آبهای درون حفره ای ایجاد می شود.آب دریا دارای سولفات های محلول زیادی است بنابراین پیریت یک کانی درجازای گل های دریایی غنی از مواد آلی است که در محیط فاقد اکسیژن تشکیل می شود و به میزان کمتر در محیط های غیر دریایی. سیدریت :در جایی که اکتیویته کربناتها زیاد و اکتیویته سولفیدها کم است ته نشین می شود.در شرایطی سیدریت ته نشست می کند که تمام So4احیا شده باشد.سیدریت در رسوبات غیر دریایی غنی می باشد و در سنگهای آهن دار دریایی عمدتا به شکل سیمان یافت می شود. 47 مگنتیت :در شرایط اکتیویته کم سولفید و کربنات EH ،منفی و pHخنثی تشکیل می شود که این شرایط در طبیعت نادر است بنابراین ته نشینی مگنتیت متداول نیست. تشکیل کانی های سیلیکات آهن ،برتیرین ،گرینالیت و گالکونیت کم شناخته شده است.چون کانی های فرو هستند از نظر ترمودینامیکی انتظار می رود که شرایط EHمنفی برای تشکیل گرینالیت و برتیرین الزم باشد ولی چون در رسوبات عهد حاضر وجود نداشته و نسبتا کم مشاهده شده اند ،تعبیر و تفسیر آنها تا حدودی متکی به دادهای زمین شناسی است.با این وجود عقیده براین است که آنها در محیط دیاژنتیکی فاقد اکسیژن ،غیر سولفیدی،بعد از اکسیژنی ،در جایی که ممکن است شرایط به طور نسبتا ساده ای از حالت اکسیژنی به فاقد اکسیژنی تغییر کند و سولفور در دست رس نباشد،ته نشین شوند. 48 شباهت ژئوشیمی آهن و منگنز: آهن و منگنز از نظر ژئوشیمیایی بسیار همانند بوده و انتظار می رود که هر دو عنصر همراه با هم حمل و نهشته شوند .برای نمونه در ناحیه معدنی کویونا ،منگنز در برخی سازند های آهن به فراوانی یافت میشود و مقدار آن در برخی کانسنگ ها به بیش از 20درصد نیز می رسد .در دیگر نقاط به نظر می رسد در حین کارکرد هوازدگی ،جابجایی و رسوبگذاری ،آهن و منگنز به طور کامل از یکدیگر تفکیک میشوند. به همین دلیل در بسیاری کانسنگ های آهن ،منگنز دیده نمی شود و بالعکس و دلیل این امر می تواند ناشی از پتانسیل یونی نسبتا اندک منگنز باشد ،که آسانتر از آهن از سنگ منشاء آبشویی می شود. 49 احتمال دوم اینکه ،بسیاری از چشمه های آبگرم منگنز بیشتری نسبت به آهن تولید می کنند. احتمال سوم ،جدایش آهن از منگنز در نتیجه ته نشینی تفریقی است .در هر حال ،از آنجا که آهن همیشه دیرتر احیا و متحرک شده و زودتر اکسید و در نتیجه نامتحرک می شود و منگنز به تدریج از آهن جدا خواهد شد. 50 51 نهشتههاي شیمیایي آهن را ميتوان به دو گروه: سازندهاي آهن نواري ) (Banded iron formationپركامبرین و سنگ آهنهاي فانروزوئیك تقسیم كرد. نوع سوپریور ()superior – type کانسارهاي آهن نواري کانسارهاي االیتي آهن -کانسارهاي آهن مردابي 52 نوع آلگوما ()algoma – type نهشته های اهن : نهشته هاي سازند آهن نواري يكي از بزرگترين ذخاير معدني را مي سازد كه در سرزمین هاي مختلف عالوه بر BIFبه نامهاي ديگري نیز خوانده می شود. تاكونیت Taconite: كانسار آهن نواري كه عمدتاً حاوي مگنتیت +سیلیكات هاي آهن +چرت ± هماتیت ±سیدريت مي باشد ( گیلبرت و پارک .)1997 ايتابیريت Itabirite : كانسار آهن نواري حاوي نوارهاي چرت يا ژاسپر در اثر دگرگوني به دانه هاي كوارتز قابل رؤيت تبلور يافته و آهن به صورت اليه هاي نازك هماتیت و مگنتیت حضور دارند (ادوارز و اتكینسون .)1986 53 ژاسپیلیتJaspilite: سنگ آهني كه حاوي نوارهايي از ژاسپر با رنگ قرمز روشن يا نوارهايي از هماتیت سیاه تشكیل شده است .اين نهشته ها به فرم واحدهاي چینه شناسي با ضخامت صدها متر و با گسترش جانبي صد تا هزاران كیلومتر به وقوع مي پیوندد. 54 55 کانسارهای االیتی : االیت ها در ترکیب گوناگونند و ماده آهن دار آنها مي تواند هماتیت ،لیمونیت ،سیدریت و شاموزیت باشد. مشهورترین کانسار االیتي جهان کانسار کلینتون است ،که از شمال ایالت نیویورک بسوي جنوب رخنمون دارد .این کانسار ها در مجموع انباشتگي هاي بزرگ و غني نمي سازند. منشأ آهن در نوع ااولیتی:آتشفشان ،،آب های زیرزمینی ،رودخانه ،آب دریا وآب منفذی می باشد. در کانسارهاي نوع االیتي به دلیل باال بودن میزان آلومینیوم رسوبات به جاي گرینالیت ،شاموزیت تشکیل شده است. شرایط مناسب براي تشکیل :عمق کم ،دماي باالو شرايط پیشروي آب دريا و با میزان کم پسروي 56 کانسارهای مردابی : این کانسار ها در مناطق معتدله تا یخچالي مربوط به نیمکره شمالي به صورت توده هاي عدسي شکل تا نواري لیمونیت حاوي رس -ماسه و مواد آلي مي باشد. در دریاچه ها و رودخانه هاي داراي جریان کند و در باتالق ها و مرداب ها تشکیل مي شوند. این کانسارها در محدوده زماني فانروزوئیک تشکیل شده اند و سیدریت و پیریت دو کاني مهم این کانسارها هستند. 57 به طور خالصه مكان هاي آهن دار در ايران به شرح زير هستند: الف -ایران مركزي ب -زون سنندج -سیرجان ج -شرق ایران مجموع ذخایر قطعي سنگ آهن ایران در سال 279/1 ،1380میلیارد تن برآورد شده است .ایران تنها یك درصد كل منابع آهن جهان را در اختیار دارد .حدود 90درصد ذخایر آهن ایران در این سه منطقه معدني متمركز هستند. 58 59 کانسارهای رسوبی آهن در ایران کانسارهای آهن منطقه بندرعباس که مرتبط با سنگ های سری هرمز اند مانند آهن تنگ زاغ ،هرمز ،الرک و قشم جزء این نوع کانسارها می باشند. بسیاری از کانسارهای آهن محور سلطانیه -زنجان – شاهین دژ از کانسارهای آتشفشانی -رسوبی می باشند .در این کانسارها تمام فرآیندهای کانی سازی به صورت رسوبی است و فرآیندهای آتشفشانی نقش غیر مستقیمی دارند. آهن های محور سلطانیه – مهاباد اغلب منشأ رسوبی -آتشفشانی دارند و در پیوند با بخش های پائین سازند سلطانیه و گاه سنگ های آتش فشانی سری قره داش می باشند. 60 کانسارهای آهن ارجین (ناحیه سلطانیه).شاه بالغ و کاوند در ناحیه جنوب باختر زنجان. سیرجان – قالیچه بالغ در ناحیه ماه نشان.علم کندی ،چهار تاق در ناحیه تکاب.کوه تکه قیاسی در ناحیه سلطانیه.سن این کانسارها پرکامبرین پسین – کامبرین پیشین است ،که همگی ساخت رسوبی دارند و پاراژنز آنها شامل گوتیت ،هماتیت ،مگنتیت و سیدریت و باطله های کلسیت ،دولومیت، سیلیس و باریت است. 61 62 63 مقدمه : کتاب ژئوشیمی کانسار رسوبی – مای نار -ترجمه وارتان ژیلبرت-جان -زمین شناسی کانسارها ،ترجمه سعید علیرضایی()1378 تاکر-موریس ای-سنگ شناسی رسوبی،ترجمه سید رضا موسوی حرمی واسد هللا محبوبی()1373 Iron formation... پترولوژی سنگ رسوبی _کرین اسمیت /پیمان رضایی سنگ شناسی رسوبی _موریس ای.تاکر /رضا موسوی حرمی و اسدا...محبوبی کانی شناسی غیر سیلیکاتها _ مهین محمدی ()1382 64 65 با تشکر از توجه شما 66