Χαλκός: Ο «ηλεκτρικός αγωγός» της πράσινης μετάβασης - Μέρος Α

Ο χαλκός εμφανίζεται σε πετρώματα όλων των γεωλογικών εποχών/περιόδων και σχηματίζεται μέσω διαφορετικών διεργασιών που μεταφέρουν τις αρχικά χαμηλές συγκεντρώσεις χαλκό από το μάγμα ή πετρώματα, για να δημιουργήσουν κοιτασματολογικές αποθέσεις εκεί που οι μεταλλογενετικές συνθήκες το επιτρέπουν. Οι τύποι (Πίνακας 1) που προκύπτουν δεν καθορίζουν μόνο τη γεωγραφική κατανομή των αποθεμάτων, αλλά και τη δυνατότητα ανάκτησης πολύτιμων παραπροϊόντων (χρυσός, άργυρος, μέταλλα λευκοχρύσου), καθώς και το περιβαλλοντικό και οικονομικό αποτύπωμα της εκμετάλλευσης.

1. Πορφυρικά κοιτάσματα χαλκού (Porphyry Copper Deposits)

• Γεωλογία και γένεση

Τα πορφυρικά κοιτάσματα αποτελούν τον σημαντικότερο τύπο χαλκού παγκοσμίως, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 60% της τρέχουσας παγκόσμιας παραγωγής [1, 2]. Σχηματίζονται σε ζώνες υποβύθισης/καταβύθισης (subduction zones), όπου λιθολογίες ωκεάνων πλακών βυθίζονται κάτω από πετρώματα ηπειρωτικού φλοιού. Η μερική τήξη του ενυδατωμένου υλικού από τον μανδύα της γης (mantle wedge) παράγει μαγματικά τήγματα πλούσια σε νερό, χλώριο, θείο, χαλκό και χρυσό [2]. Η διαδικασία εξέλιξης περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια:

• • Σχηματισμό βασικού μάγματος (high-Mg basalt) στο όριο μανδύα-φλοιού
  • Παγίδευση στη «Hot Zone» και διαδικασία MASH (Melting, Assimilation, Storage, Homogenization)
  • Υδροθερμική δραστηριότητα με τη κυκλοφορία θερμών υγρών (150°C-450°C) που αποθέτουν θειούχα ορυκτά σε ρωγμές και πορώδη πετρώματα.

• Ορυκτολογία

Τα κύρια ορυκτά χαλκού σε πορφυρικά κοιτάσματα είναι τα:

• • Χαλκοπυρίτης (Chalcopyrite - CuFeS₂), που αποτελεί το πιο κοινό πρωτογενές θειούχο ορυκτό χαλκού.
  • Βορνίτης (Bornite - Cu₅FeS₄), συχνά δευτερεύον αλλά σημαντικό.
  • Τετραεδρίτης-Τεναντίτης (Tetrahedrite-Tennantite), θειούχα ορυκτά με αντιμόνιο ή αρσενικό

• Παραπροϊόντα

Τα πορφυρικά κοιτάσματα είναι ιδιαίτερα σημαντικά για την παραγωγή:

• • Χρυσού (Au) και Αργύρου (Ag)
  • Μολυβδαινίου (Mo)
  • Ρηνίου (Re)

• Χαρακτηριστικά παραδείγματα

• • Chuquicamata (Χιλή): Ένα από τα μεγαλύτερα πορφυρικά κοιτάσματα παγκοσμίως
  • Bingham Canyon (ΗΠΑ)
  • Grasberg (Ινδονησία): Πλούσιο και σε χρυσό
  • Τα ελληνικά κοιτάσματα της Χαλκιδικής (Σκουριές) και του Κιλκίς (Βάθη, Γερακαριό, Ποντοκερασιά) ανήκουν σε αυτόν τον τύπο (Σχήμα 1 και 2).

2. Ιζηματογενή στρωματόμορφα κοιτάσματα (Sediment-Hosted Stratiform Copper)

• Γεωλογία και γένεση

Αυτός ο τύπος αντιπροσωπεύει περίπου το 20% της παγκόσμιας παραγωγής και περιλαμβάνει μερικές από τις πρώτες μεταλλευτικές εκμεταλλεύσεις στην ιστορία της ανθρωπότητας. Σχηματίζονται σε ιζηματογενείς λεκάνες, όπου θειούχες ενώσεις αποτίθενται από υδροθερμικά ρευστά που κυκλοφορούν μέσω πορωδών ιζηματογενών πετρωμάτων (ψαμμίτες, σχιστόλιθοι).

• Υποκατηγορίες

Με βάση τη μορφή και το περιβάλλον απόθεσης, διακρίνονται τρεις υποτύποι:

• • Τύπος ρηξιγενούς λεκάνης (Rift-type) που σχηματίζεται σε ηπειρωτικές ρηξιγενείς ζώνες
  • Τύπος Redbed, σε ηπειρωτικά κοκκινόχρωματα ιζήματα
  • Τύπος Revett, σε χαλαζιακούς ψαμμίτες

• Ορυκτολογία

• • Κύρια θειούχα: Χαλκοπυρίτης, Βορνίτης
  • Δευτερεύοντα θειούχα: Χαλκοσίτης (Chalcocite - Cu₂S), Κοβελλίτης (Covellite - CuS)
  • Δευτερογενή υδρο-/οξείδια (στη ζώνη οξείδωσης): Μαλαχίτης (Malachite - Cu₂CO₃(OH)₂), Αζουρίτης (Azurite), Χρυσόκολλα (Chrysocolla), Κυπρίτης (Cuprite)

• Παραπροϊόντα

Τα κοιτάσματα αυτά μπορεί να περιέχουν:

• • Άργυρο (Ag)
  • Κοβάλτιο (Co) - όπως στη Λεκάνη της Κεντρικής Αφρικής (Zambia, Λαϊκή Δημοκρατία Κονγκό/ΛΔΚ)
  • Μόλυβδο (Pb) και Ψευδάργυρο (Zn)

• Χαρακτηριστικά παραδείγματα

• • Κεντροαφρικανική Μεταλλοφόρος Ζώνη (Zambia, ΛΔΚ)
  • Kupferschiefer (Πολωνία): Έχει μελετηθεί εκτενώς για τις διεργασίες χαλκού, με χαλκοσίνη και κοβελλίνη [5]
  • Nacimiento (Νέο Μεξικό, ΗΠΑ)

3. Ηφαιστειογενή θειούχα κοιτάσματα (Volcanogenic Massive Sulfide, VMS)

• Γεωλογία και γένεση

Τα VMS κοιτάσματα σχηματίζονται στον πυθμένα της θάλασσας σε υποθαλάσσια ηφαιστειακά περιβάλλοντα [1]. Η διαδικασία είναι ανάλογη με τους σημερινούς υδροθερμικούς διεξόδους/χαραμάδες (seafloor hydrothermal vents ή «μαύροι καπνοδόχοι»). Θερμά διαλύματα (έως 400°C) πλούσια σε μέταλλα εκρέουν από ρωγμές στον πυθμένα και, κατά την επαφή τους με το ψυχρό θαλασσινό νερό, αποθέτουν θειούχα ορυκτά, σχηματίζοντας μαζικούς φακούς ή στρώσεις. 

• Ορυκτολογία

• • Κύρια ορυκτά: Σιδηροπυρίτης (FeS₂), Χαλκοπυρίτης, Σφαλερίτης (ZnS), Γαληνίτης (PbS)
  • Παραπροϊόντα: Χρυσός, Άργυρος, Σελήνιο (Se), Τελλούριο (Te)

• Χαρακτηριστικά παραδείγματα

• • Kidd Creek (Καναδάς)
  • Mount Isa (Αυστραλία)
  • Rio Tinto (Ισπανία)

4. Μαγματικά κοιτάσματα νικελίου-χαλκού (Magmatic Ni-Cu Sulfide Deposits)

• Γεωλογία και γένεση

Αυτά τα κοιτάσματα έχουν ριζικά διαφορετική προέλευση από τα υδροθερμικά [1]. Σχηματίζονται όταν βασικής και υπερβασικής σύστασης μάγματα (πλούσια σε μαγνήσιο και σίδηρο) διαχωρίζουν ένα θειούχο τήγμα που βυθίζεται στον πυθμένα του μαγματικού θαλάμου.

• Ορυκτολογία

• • Χαλκοπυρίτης (Cu)
  • Πεντλανδίτης (Pentlandite - (Fe, Ni)₉S₈) - κύριο ορυκτό νικελίου
  • Μαγνητοπυρίτης (Pyrrhotite - Fe₁₋ₓS)

• Παραπροϊόντα (εξαιρετικά σημαντικά)

Αυτός ο τύπος είναι κύρια πηγή μετάλλων ομάδας λευκοχρύσου (Pletinum Group Elements-PGMs):

• • Λευκόχρυσος (Pt)
  • Παλλάδιο (Pd)
  • Ρόδιο (Rh)
  • Όσμιο (Os)
  • Ιρίδιο (Ir)

• Χαρακτηριστικά παραδείγματα

• • Norilsk (Ρωσία), παγκοσμίως σημαντικό για PGMs
  • Sudbury (Καναδάς)
  • Bushveld (Νότια Αφρική), γνωστό για PGMs, αλλά περιέχει και χαλκό

5. Δευτερογενής εμπλουτισμός (Supergene Enrichment)

• Γεωλογική διαδικασία

Δεν αποτελεί ξεχωριστό τύπο κοιτάσματος, αλλά μια διαδικασία μεταλλογένεσης που συμβαίνει σε επιφανειακά τμήματα των προαναφερόμενων κοιτασματολογικών τύπων (near-surface) [3]. Όταν τα θειούχα ορυκτά του κοιτάσματος έρχονται σε επαφή με το νερό της βροχής, τα ορυκτά αυτά οξειδώνονται. Ο χαλκός που απελευθερώνεται μεταφέρεται προς τα κάτω από τα νερά κατείσδυσης και αποτίθεται εκ νέου κοντά στον υδροφόρο ορίζοντα.

• Χαρακτηριστικά

• • Ζώνη σιδηρούχου καλύμματος (Gossan/ iron cap), που χαρακτηρίζεται από οξείδια/υδροξείδια σιδήρου (λιμονίτης, γκαιτίτης)
  • Ζώνη έκπλυσης (Leached zone) που είναι εξαντλημένη σε χαλκό o Ζώνη οξειδωμένου μεταλλεύματος (Oxide zone) που περιέχει μαλαχίτη, αζουρίτη, χρυσόκολλα, κυπρίτη
  • Ζώνη δευτερογενούς θειούχου εμπλουτισμού (Secondary sulfide zone) που περιλαμβάνει χαλκοσίνη και κοβελλίνη, με πολύ υψηλότερες περιεκτικότητες σε χαλκό από το πρωτογενές μετάλλευμα

• Παραδείγματα

• • Chuquicamata (Χιλή) με εκτεταμένη ζώνη δευτερογενούς εμπλουτισμού
  • Πολλά κοιτάσματα στην έρημο Atacama

Η κατανόηση των κοιτασματολογικών τύπων είναι κρίσιμη για την ελληνική περίπτωση, καθώς:

• Τα κοιτάσματα της Χαλκιδικής (π.χ., Σκουριές/Σχήμα 1) και του Κίλκίς (π.χ., Βάθη, Ποντοκερασιά/Σχήμα 2) ανήκουν στην κατηγορία των πορφυρικών Cu-Au κοιτασμάτων [6, 7, 8]. Αυτό σημαίνει ότι:

• • Είναι χρυσοφόρα και παρουσιάζουν δυναμικές συγκεντρώσεις παλλαδίου, γεγονός που βελτιώνει την οικονομική βιωσιμότητα.
  • Η εκμετάλλευση τους απαιτεί τεχνολογίες κατάλληλες για πορφυρικά κοιτάσματα.
  • Η γεωλογική τους θέση σχετίζεται με πρώην ζώνη υποβύθισης, παρόμοια με τα μεγάλα κοιτάσματα των Άνδεων.

• Σε περιφερειακή/καθολική κλίμακα, χαρτογραφούνται τρεις μεταλλογενετικές ζώνες του ελληνικού-βαλκανικού τόξου (Σχήμα 3) [6, 7, 8]:

• • Μεταλλογενετική ζώνη της Σρέντνα Γκόρα (Sredna Gora), με πορφυρικά κοιτάσματα χαλκού και επιθερμικά κοιτάσματα χρυσού, που σχετίζονται με ηφαιστειακή δραστηριότητα του Ανώτερου Κρητιδικού (π.χ., Assarel, Elatsite).
  • Μεταλλογενετική ζώνη της Ροδόπης (Rhodope), με επιθερμικά κοιτάσματα χρυσού και πορφυρικά κοιτάσματα χαλκού-μολυβδαινίου, που σχετίζονται με ηφαιστειακή δραστηριότητα του Τριτογενούς (π.χ, Άγιος Δημήτριος, Οχιά στην ηφαιστειο-ιζηματογενή λεκάνη Σαππών)
  • Μεταλλογενετική ζώνη της Σερβομακεδονικής (Serbomacedonian), με πορφυρικά κοιτάσματα χαλκού-χρυσού (π.χ., Σκουριές, Φισώκα, Ποντοκερασιά) και κοιτάσματα τύπου «manto» Pb-Zn-Ag-Au (π.χ., Ολυμπιάδα, Μαύρες Πέτρες), που επίσης σχετίζονται με ηφαιστειακή δραστηριότητα του Τριτογενούς.

Αυτά είναι δύο σκέλη μιας πολύ ενδιαφέρουσας ερώτησης που άπτεται της κλασικής μεταλλογενετικής μοντελοποίησης για τα συστήματα πορφυρικού χαλκού (Cu) – επιθερμικού χρυσού (Au) [9, 10]. Είναι γεγονός ότι τα πορφυρικά Cu-Au συστήματα και τα επιθερμικά συστήματα Au-Ag συνδέονται συχνά γενετικά, ως μέρος του ίδιου μαγματικού-υδροθερμικού συστήματος (Σχήμα 4) [9, 10]. Στον Πίνακα 1 αναφέρονται ορισμένα βασικά στοιχεία που χαρακτηρίζουν τους δύο τύπους.

Είναι λοιπόν επιστημονικά τεκμηριωμένο ότι ένα επιθερμικό Au-Ag σύστημα μπορεί να αποτελεί την ανώτερη, ρηχή έκφραση ενός βαθύτερου πορφυρικού Cu-Au(Mo) κοιτάσματος [9, 10]. Σε περιοχές με διάβρωση μικρού βαθμού (ή ακόμα και με τεκτονική κάλυψη), το επιθερμικό πεδίο είναι ορατό στην επιφάνεια και υποδεικνύει τη δυνατότητα ύπαρξης πορφυρικού στόχου σε βάθος. Αυτό επιβεβαιώνεται από διεθνή παραδείγματα (π.χ. Lepanto-Far Southeast, Φιλιππίνες, Yanacocha, Περού, Cripple Creek, ΗΠΑ) [9]. Στα Βαλκάνια, αν και λιγότερο μελετημένο, υπάρχουν ενδείξεις [6, 7, 8]:

• Στην Κρητιδική ζώνη πορφυρικού χαλκού/Cu (Assarel, Elatsite/Σχήμα 3), επιθερμικά συστήματα χρυσού της ίδιας ηλικίας δεν είναι ευρέως γνωστά, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις (π.χ. Τσβετ, Βουλγαρία) υπάρχουν ενδείξεις ρηχών επιθερμικών εκφανσεων πάνω από πορφυρικό σύστημα.
• Στην τριτογενή ζώνη πορφυρικού χαλκού/Cu (Σκουριές, Ποντοκερασιά, Buchim), σε ότι αφορά στις Σκουριές τα δεδομένα γεωτρήσεων δείχνουν ότι το πορφυρικό σύστημα βάθος >400-600 m) μπορεί να συνδέεται υπόγεια με επιθερμικές αποθέσεις χαμηλότερης θερμοκρασίας ανάντη. Στην Ποντοκερασιά, έχει ανιχνευθεί μικτή ζώνωση (χαλαζίας-αδουλάρια, στυλ low-sulfidation) σε ρηχότερα επίπεδα. Στο Buchim (Β. Μακεδονία) είναι εμφανής η σύνδεση με ζώνη argillic-propylitic και μεταλλικά στοιχεία Au-Ag άνωθεν του πορφυρικού συστήματος.
• Στα κάπως «μοναχικά» ή νεότερα τριτογενή επιθερμικά χρυσού (Au) συστήματα (Σάππες, Κώνος, Οχιά, Άγιος Δημήτριος) [11]. Στην περίπτωση των Σαππών και Κώνου (low-sulfidation, εποχή Μειόκαινο), δεν έχει αποδειχθεί βαθύτερο πορφυρικό – αλλά η γεωχημική τους «υπογραφή» (π.χ. Au-As-Sb-Hg) δεν αποκλείει, ειδικά σε βάθος >500 m, παρουσία πορφυρικού Cu. Σε ότι αφορά στον Άγιο Δημήτριο, τρισδιάστατο μοντέλλο (Σχήμα 5) απεικονίζει την παρουσία μεταλλοφόρου σώματος βασικών μετάλλων, κάτω από αυτό επιθερμικού χρυσού. Συγκεκριμένα, η παραγένεση του χαλαζία με τα θειούχα αναπτύσσεται προς το βάθος. Πρόκειται για πολυμεταλλικές μεταλλοφορίες οι οποίες συνδέονται με χαλαζιακές φλέβες μέσα σε ρηξιγενείς ζώνες. Κατά το στάδιο αυτό εναποτίθενται σιδηροπυρίτης, αρσενοπυρίτης, σφαλερίτης, χαλκοπυρίτης, γαληνίτης, μαγνητοπυρίτης, μαρκασίτης, πετζίτης, αλταΐτης, τετραεδρίτης και σεμσεΐτης. Η παραγένεση χαλαζία-χρυσού αναπτύσσεται κύρια επιφανειακά μέσα στην πυριτική ζώνη (hydrothermal silica breccia) και στην αργιλική/σερικιτική ζώνη. Εμφανίζεται σε μορφή χαλαζιακών φλεβιδίων πάχους από μερικά χιλιοστάμέχρι μερικά εκατοστά. Τα φλεβίδια συναντώνται μεμονωμένα ή σε μορφή πλέγματος (stockwork). Τα ορυκτά της παραγένεσης αυτής είναι χαλαζίας και ελεύθερος χρυσός.

Συνεπώς στο ερώτημα, «Μπορεί ένα πορφυρικό σύστημα να αποτελεί στόχο κάτω από ένα επιθερμικό στα Βαλκάνια;», η απάντηση είναι «Ναι, υπάρχει σαφής και τεκμηριωμένη μεταλλογενετική σχέση» [9, 10]. Για Σάππες, Κώνο, Οχιά: Δεν έχει αποδειχθεί ακόμα, αλλά τα γεωλογικά και γεωχημικά δεδομένα δεν το αποκλείουν. Απαιτείται στοχευμένη γεωφυσική (IP, μαγνητομετρία) και βαθιά γεώτρηση (>600 m) για να επιβεβαιωθεί ή απορριφθεί.

Συνοπτικά, η πιο έγκυρη εκτίμηση για τα ανεξερεύνητα αποθέματα χαλκού παγκοσμίως προέρχεται από το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS) και ανέρχεται σε περίπου 3,5 δις τόνους [3]. Για να γίνει αυτό κατανοητό, από τους συνολικά εκτιμώμενους 6,3 δις τόνους χαλκού που υπάρχουν στη Γη, περίπου 0,7 δις έχουν ήδη εξορυχθεί, 2,1 δις βρίσκονται σε ήδη αναγνωρισμένα αλλά ανεκμετάλλευτα κοιτάσματα και το μεγαλύτερο μέρος, δηλαδή τα 3,5 δις τόνοι, παραμένει ακόμη ανεξερεύνητο.

Οι εκτιμήσεις αυτές δεν είναι αυθαίρετες αλλά προκύπτουν από πολύπλοκες γεωλογικές μελέτες και στατιστικά μοντέλα, τα οποία αναλύουν περιοχές με κατάλληλη γεωλογία για τον σχηματισμό κοιτασμάτων χαλκού, όπως τα πορφυρικά ή τα ιζηματογενή, και υπολογίζουν την πιθανότητα ύπαρξης νέων αποθεμάτων. Παρόλο που το δυναμικό είναι τεράστιο, η βιομηχανία εξόρυξης αντιμετωπίζει σήμερα σοβαρές προκλήσεις.

Η χαμηλή δραστηριότητα κοιτασματολογικής έρευνας των τελευταίων ετών σε συνδυασμό με τη «γήρανση» των υφιστάμενων μεταλλείων και τη μείωση των περιεκτικοτήτων σημαίνει ότι ο εντοπισμός και η ανάπτυξη αυτών των νέων κοιτασμάτων είναι μια χρονοβόρα, δαπανηρή και ριψοκίνδυνη διαδικασία [1]. Αυτή ακριβώς η αντίφαση μεταξύ των τεράστιων μελλοντικών αποθεμάτων και της περιορισμένης βραχυπρόθεσμης προσφοράς είναι που καθιστά τον χαλκό στρατηγικό ορυκτό με μεγάλη γεωπολιτική και οικονομική σημασία.

[1] Golding, B., Golding, S.D. (2017). Copper and Coal Resources. In: Metals, Energy and Sustainability. Springer, Cham.

[2] Richards, J.P. (2016). Tectonomagmatic Controls on Arc Metallogeny. IGG, CAS.

[3] USGS (2003). Sediment-Hosted Copper Deposits of the World: Deposit Models and Database.

[4] Fu Yan-xiong et al. (2013). Process Mineralogy Study on a Sandstone Copper Ore.

[5] Large, D.J. et al. (1995). Evidence for low-temperature alteration of sulfides in the Kupferschiefer copper deposits of southwestern Poland. Economic Geology.

[6] Χαλκός, νικέλιο, κοβάλτιο και αλουμίνιο «έρχονται με φόρα» και στην Ελλάδα - Μέρος Α https://rawmathub.gr/synentefkseis-kai-arthra-gia-protes-yles/arthra-gia-protes-yles/xalkos-nikelio-kovaltio-kai-alouminio-merosa

[7] Χαλκός, νικέλιο, κοβάλτιο και αλουμίνιο «έρχονται με φόρα» και στην Ελλάδα - Μέρος Β https://rawmathub.gr/synentefkseis-kai-arthra-gia-protes-yles/arthra-gia-protes-yles/xalkos-nikelio-kovaltio-kai-alouminio-erxontai-me-fora-merosb 

[8] Χαλκός, νικέλιο, κοβάλτιο και αλουμίνιο «έρχονται με φόρα» και στην Ελλάδα - Μέρος Γ https://rawmathub.gr/synentefkseis-kai-arthra-gia-protes-yles/arthra-gia-protes-yles/xalkos-nikelio-kovaltio-kai-alouminio-erxontai-me-fora-merosc.

[9] Heinrich, C.A. (2005). The relationship between porphyry Cu-Au and epithermal Au-Ag deposits.

[10] Arribas, A. and Mizuta, T. (2018). Epithermal-Porphyry Transition.

[11] Arvanitidis N., Michael C., Christidis C. (2011). 3D model of the Agios Dimitrios epithermal deposit. Έργο PROMINE.

Απαγορεύεται ρητώς η αναπαραγωγή ή αναδημοσίευση, μερική ή ολική, του εν λόγω περιεχομένου. Το RAWMATHUB.GR διατηρεί το αποκλειστικό δικαίωμα δημοσίευσης και παροχής αδειών αναδημοσίευσης κατόπιν έγγραφης άδειας, επιφυλασσόμενο για την άσκηση κάθε νόμιμου δικαιώματος του. Εφόσον επιθυμείτε να χρησιμοποιήσετε το περιεχόμενο, παρακαλούμε επικοινωνήστε μαζί μας στο Αυτή η διεύθυνση Email προστατεύεται από τους αυτοματισμούς αποστολέων ανεπιθύμητων μηνυμάτων. Χρειάζεται να ενεργοποιήσετε τη JavaScript για να μπορέσετε να τη δείτε..