Miedź

Najważniejszy z grupy metali nieżelaznych. Wykorzystywany przez człowieka od co najmniej kilku tysięcy lat. Równie długa jest historia głębinowych kopalni miedzi. Swoją karierę metal ten zawdzięcza kowalności oraz łatwości, z jaką można odlewać i obrabiać jego stopy. Miał on więc na przestrzeni stuleci duże znaczenie w produkcji monet. Od XIX wieku miedź uzyskała nowe, bardzo istotne zastosowanie: jako przewodnik elektryczności. Przewody miedziowe są kowalne i giętkie, a prąd przewodzą z niewielkimi stratami mocy.

Choć zawartość miedzi w skałach ziemskich kontynentów to średnio zaledwie 0,006%, to jednak w porównaniu z wieloma innymi metalami jest to sporo. Miedź tworzy wiele minerałów, z których najważniejsze, podlegające eksploatacji, należą do grupy siarczków. Wśród nich najistotniejsze to:

• chalkopiryt – siarczek miedzi i żelaza, CuFeS₂,
• bornit (Cu₅FeS₄),
• chalkozyn (Cu₂S),
• digenit (Cu₉S₅).

W przeszłości eksploatowano również minerały z grupy węglanów (azuryt i malachit), a także tlenków (kupryt oraz tenoryt). Pozyskiwano również miedź rodzimą (czysty pierwiastek), która jednak tworzy niewielkie złoża (na przykład Keweenaw, USA); przy obecnym zapotrzebowaniu nie odgrywa ona żadnej roli.

Minerały miedzi z grupy węglanów oraz tlenków tworzą się w wyniku wietrzenia (procesów chemicznego rozkładu, zwłaszcza utleniania i rozpuszczania) minerałów z grupy siarczków, będących głównym źródłem miedzi. Ponad złożami siarczków miedź wytrąca się wtórnie, tworząc strefy wzbogacone w minerały tego metalu. Mogą być one bardziej zasobne w miedź niż rodzime rudy siarczkowe, jednak złoża takie są często niewielkie. Stały postęp w rozwoju technologii górniczych i metalurgicznych doprowadził do tego, że opłacalne stało się eksploatowanie dużych złóż siarczkowych, także takich, w których zawartość miedzi wynosi ułamki procenta.

W przeszłości stosunkowo trudne było również pozyskiwanie miedzi z minerałów tlenkowych, które nie były podatne na wzbogacanie metodą flotacji, czyli separowania wybranych cząstek rozdrobnionego materiału w środowisku wodnym, z użyciem środków chemicznych ułatwiających wynoszenie minerałów rudnych na powierzchnię. Rozwój technologii wykorzystujących proces elektrolizy (czyli reakcji chemicznych zachodzących po przyłożeniu napięcia elektrycznego), a także pojawienie się nowych rozpuszczalników umożliwiły sięgnięcie także po te źródła miedzi.

Obecnie głównym minerałem będącym źródłem miedzi jest chalkopiryt. To najbardziej rozpowszechniony minerał zawierający ten metal; występuje powszechnie w złożach porfirowych. (Typy złóż są opisane poniżej). Istotny jest również bornit, charakterystyczny zwłaszcza dla osadowych złóż miedzi (takich jak na Dolnym Śląsku) oraz dla złóż o pochodzeniu hydrotermalnym. Duże znaczenie w polskich złożach miedzi odgrywa również kowelin (CuS).

Rodzaje złóż miedzi

Złoża minerałów z grupy siarczków należą do kilku grup genetycznych, w tym:

• złóż magmowych,
• złóż hydrotermalnych,
• złóż osadowych (warstwowych).

Złoża magmowe, w tym hydrotermalne

Magmowe złoża miedzi związane są między innymi ze skałami magmowymi głębinowymi, czyli powstającymi głęboko pod powierzchnią Ziemi z gorącego stopu skalnego – magmy. Siarczki miedzi pojawiają się w nich głównie w tych rodzajach skał, które są bardzo ubogie w krzemionkę (dwutlenek krzemu) – skały takie określamy mianem zasadowych oraz ultrazasadowych. Miedź często współwystępuje razem z niklem. Często to właśnie ten drugi metal stanowi główny powód rozpoczęcia eksploatacji. Najbardziej znane z takich złóż znajduje się w okolicach Sudbury w Kanadzie.

Związek z działalnością magmową wykazują również tak zwane złoża hydrotermalne. Tworzą się one w wyniku oddziaływania roztworów hydrotermalnych. Są to gorące roztwory wodne krążące w skałach, będące pozostałością po magmie, z której wykrystalizowała już większość minerałów, a także mające związek z aktywną działalnością wulkaniczną. Po ostygnięciu roztworów i wytrąceniu z nich substancji mineralnych powstają żyły zbudowane z kryształów wielu minerałów, w tym rudnych. Głównym minerałem tworzącym takie żyły jest kwarc. Żyły hydrotermalne przecinają starsze skały, w większości są one niewielkich rozmiarów, stąd też obecnie nie mają one znaczenia gospodarczego. Znane są jednak złoża hydrotermalne w postaci ogromnych żył otaczających duże intruzje magmy, które były jednymi z najbardziej dochodowych złóż metali. Dobry przykład stanowią żyły znane z terenu Kornwalii (południowo-zachodnia Anglia), a także z okolic Butte (stan Montana, USA). Najlepsze złoża tego typu zostały już jednak wyeksploatowane.

Z działalnością wulkaniczną oraz roztworami hydrotermalnymi związana jest także geneza złóż porfirowych. Obecnie są to najważniejsze ze złóż miedzi: mają one największy udział w światowej produkcji tego metalu. Złoża porfirowe związane są ze skałami magmowymi o strukturze porfirowej (oznacza to, że skały te są zbudowane z kryształów minerałów tkwiących w drobnokrystalicznym tle – inaczej cieście – skalnym, w którym żadne kryształy nie są widoczne gołym okiem). Minerały miedzi oraz innych metali (w tym złota oraz molibdenu) znajdują się w nich w mikroskopijnych żyłkach hydrotermalnych, bardzo gęsto rozmieszczonych w spękanej skale. Objętość takich złóż jest ogromna, jednak ich eksploatacja wymaga wydobycia całej skały, bez ograniczania się do pozyskania pojedynczych żyłek. W efekcie zawartość miedzi w wydobywanej rudzie jest stosunkowo niewielka. Znane są jednak bardzo liczne, wielkie złoża porfirowe, które łącznie dostarczają około połowy światowej produkcji miedzi.

Złoża hydrotermalne miedzi zlokalizowane są również w okolicach podmorskich wylewów law wulkanicznych. Z reguły znajdują się one jednak na dużych głębokościach, na dnach oceanicznych. Tworzą się one wówczas gdy gorące, bogate w rozpuszczone metale roztwory hydrotermalne wydostają się z podmorskich źródeł i mieszają z wodami oceanicznymi.

Łatwiej dostępne są złoża kontaktowe (skarnowe), tworzące się w miejscach, w których gorąca magma przeobraża kontaktujące z nią skały zbudowane z węglanu wapnia (CaCO₃), czyli wapienie oraz marmury. Złoża takie znane są między innymi z Kanady oraz USA. Znajdują się one najczęściej w otoczeniu większych, porfirowych złóż miedzi. W złożach tych oddziaływanie magmy na skały węglanowe prowadzi do zastępowania węglanu wapnia minerałami miedzi oraz innych metali. Podobny proces może zresztą zachodzić w typowych złożach hydrotermalnych.

Osadowe złoża miedzi

Najważniejszym rodzajem osadowych złóż miedzi są tak zwane złoża warstwowe. Występują one w skałach osadowych okruchowych powstałych w środowisku morskim, zazwyczaj składających się z ziarenek o bardzo małych średnicach – skały takie nazywane są łupkami. Tworzą one pokłady w postaci warstw, skąd pochodzi nazwa takich złóż. Najbardziej znane złoża tego typu powstały w skałach z okresu permskiego, liczących około 260 milionów lat. Tworzyły się one w tak zwanym morzu cechsztyńskim, które zajmowało duże obszary środkowej Europy, w tym Polski. Minerały miedzi znajdują się w tych złożach zwłaszcza w łupku miedzionośnym. Polska jest jednym z producentów miedzi, a metal ten pozyskiwany jest na Dolnym Śląsku w kopalniach głębinowych sięgających do skał permskich i właśnie łupka miedzionośnego.

Inne złoża warstwowe znane są z Demokratycznej Republiki Konga, USA oraz Zambii. Złoża tego typu dostarczają znacznie mniejszych ilości miedzi niż złoża porfirowe, jednak razem z nimi odpowiedzialne są za większość światowej produkcji tego metalu.

Osobnym, dziś pozbawionym większego znaczenia typem złóż miedzi są tak zwane złoża wietrzeniowe. Powstają one w miejscach, w których na magmowe oraz hydrotermalne złoża miedzi oddziałują procesy związane z niszczeniem skał na powierzchni Ziemi oraz w jej pobliżu. Są to tak zwane procesy wietrzeniowe. Prowadzą one do utlenienia siarczków miedzi, w związku z czym w powstających w ten sposób złożach główne znaczenie mają tlenki tego metalu, takie jak malachit, azuryt oraz kupryt.

Wydobycie i zasoby miedzi

Wydobycie miedzi prowadzone jest w kopalniach głębinowych (na przykład w Polsce, na Dolnym Śląsku), a także odkrywkowych (na przykład w Chile oraz w stanie Utah w USA). Eksploatacja rud miedzi może stanowić poważne obciążenie dla środowiska. Dotyczy to zwłaszcza wielkich odkrywkowych kopalni, takich jak Chuquicamata w Chile albo Bingham Canyon w USA. Sięgają one na głębokość około kilometra i zajmują znaczące obszary. Jednak nawet w przypadku kopalni głębinowych (takich jak na Dolnym Śląsku) produkcja miedzi silnie oddziałuje na środowisko naturalne. Jest to efekt procesów technologicznych, które są stosowane w celu odzyskania metalu z rud miedzi, nierzadko ubogich. Pozyskanie miedzi wymaga flotacji, przetapiania oraz oczyszczania metodą elektrolizy. Właściwa gospodarka odpadami, a także staranna kontrola zanieczyszczeń wód jest zatem niezbędna w trakcie produkcji miedzi z rud tego metalu.

Zasoby miedzi nie są na razie zagrożone wyczerpaniem, i to mimo bardzo dużego, wzrastającego wydobycia. Dostępne są jeszcze spore, nieeksploatowane obecnie zasoby, w tym w znajdujących się na dnach oceanicznych konkrecjach żelazowo-manganowych. Sięgnięcie w przyszłości po zasoby tego typu będzie jednak wymagało znaczącego postępu w technologiach wydobywczych.

Głównym producentem miedzi jest Chile, które posiada ogromne złoża porfirowe, powstałe w okolicach strefy subdukcji znajdującej się na zachodnim krańcu kontynentu południowoamerykańskiego, pod Andami. Złoża te skoncentrowane są w północnej części kraju, na terenie pustyni Atacama, i są eksploatowane z wykorzystaniem olbrzymich odkrywkowych kopalni, z których największe to Chuquicamata, Escondida oraz Collahuasi.

Drugim z największych producentów miedzi na świecie jest Peru, które posiada dostęp do takich samych rodzajów złóż, jak znajdujące się na terytorium Chile. Są one skoncentrowane na południu kraju. Jedna z głównych kopalni to Cerro Verde.

Duże złoża miedzi posiada również Demokratyczna Republika Konga. Są one zlokalizowane na południu kraju, w pobliżu granicy z Zambią i zawierają również kobalt, który stanowi obecnie najcenniejszą kopalinę, ważniejszą od wydobywanej tam miedzi. Jedna z najważniejszych kopalni na terenie Demokratycznej Republiki Konga to Tenke Fungurume (nazwa pochodzi od dwóch sąsiednich miejscowości). Sąsiednia Zambia również posiada dostęp do złóż miedzi, a ich eksploatacja prowadzona jest częściej metodą głębinową.

Duże złoża miedzi znajdują się na terenie USA, zwłaszcza w zachodniej części kraju, na terenie stanów Arizona, Montana, Nowy Meksyk oraz Utah. Kopalnia Bingham Canyon w stanie Utah to jedna z największych odkrywkowych kopalni miedzi na świecie.

Australia posiada złoża zlokalizowane w wielu miejscach kraju. Jedną z największych kopalni jest Olympic Dam (w stanie Południowa Australia). Wydobywane są w niej, oprócz miedzi, także uran (to druga na świecie kopalnia uranu pod względem wydobycia) oraz złoto.

Duże złoża miedzi eksploatowane są również na terenie Chin, Indonezji, Rosji, Meksyku oraz Kanady. Jednym z dużych producentów tego metalu pozostaje także Polska.

Zastosowania miedzi

Miedź dobrze przewodzi elektryczność, stąd też jest szeroko wykorzystywana w elektryce oraz elektronice. Ze względu na odporność na korozję znalazła też zastosowanie w budownictwie oraz architekturze: w systemach ogrzewania, zadaszeniach, instalacjach wodno-kanalizacyjnych, a także w produkcji rynien.

Duże znaczenie na użycie miedzi przez przemysł samochodowy, lotniczy i stoczniowy. Coraz większą rolę metal ten odgrywa też w produkcji urządzeń wykorzystujących odnawialne źródła energii, takich jak panele słoneczne, turbiny wiatrowe, a także w systemach do przechowywania energii elektrycznej. Bez miedzi trudno byłoby też wyobrazić sobie produkcję sprzętu gospodarstwa domowego (zwłaszcza sprzętu kuchennego).

Miedź stosowana jest również na potrzeby rolnictwa, w wytwarzaniu pestycydów oraz fungicydów. Jej własności antybakteryjne sprawiają również, że ma ona znaczenie dla przemysłu medycznego oraz farmaceutycznego. Także produkcja monet oparta jest na wykorzystaniu tego samego metalu.