Редкие металлы и их месторождения

РЕДКОМЕТАЛЬНЫЕ  ПЕГМАТИТЫ

Редкометальные  пегматиты — крупнокристаллические  породы, состоящие в основном из кварца и полевого шпата и богатые минералами, содержащими летучие вещества (воду, фтор, бор, хлор). Они образованы в результате медленной кристаллизации гранитных расплавов в изолированных полостях. Возраст наиболее крупных пегматитовых месторождений превышает 2 млрд лет.

  Пегматиты залегают в виде гнезд, жил и линз, достигающих многих сотен метров, а иногда нескольких километров в длину при толщине до 100 м. Наиболее крупные, издавна разрабатываемые пегматитовые месторождения — Берник-Лейк в Канаде, Бикита в Зимбабве, Карибиб в Намибии, Гринбушес в Австралии, Коктогай в Китае. Выделяют несколько минеральных типов пегматитов, которые различаются набором редкометальных минералов. В некоторых из них ведущее значение имеют литиевые и танталовые минералы, в других — минералы бериллия, например берилл. Наибольшим разнообразием полезных компонентов обладают сподуменовые пегматиты с лепидолитом, поллу-цитом, танталитом и бериллом (см. табл. 1).

  Для редкометальных пегматитов характерно зональное строение с обособленными скоплениями пол-луцита, лепидолита, сподумена, берилла (рис. 3). Благодаря зональности и крупным размерам кристаллов (берилл — до 2 м, сподумен — до 10 м в длину) пегматитовые жилы разрабатывают вручную.

  Пегматитовые  месторождения обычно имеют небольшие запасы: тысячи тонн тантала, ниобия, бериллия, рубидия, десятки тысяч тонн цезия, сотни тысяч тонн лития. Тем не менее до начала 60-годов именно в них были сосредоточены 100% запасов лития, бериллия, цезия и рубидия, 95% тантала, 25% ниобия, и именно эти месторождения служили главным объектом добычи этих металлов. Для цезия и рубидия пегматиты и сейчас остаются единственным сырьевым источником, имеющим промышленное значение.

Рис. 3. Геологическая схема пегматитового месторождения Коктогай, КНР, по Н.А. Солодову: 1 - вмещающие породы; 2-10 - зоны пегматита (от края к центру): 2 - мелкозернистая кварц-микроклиновая, 3- мелкозернистого альбита с бериллом, 4- блокового микроклина первой генерации, 5 - кварц-мус-ковитовая с бериллом и танталит-колумбитом, 6 -альбит-сподуменовая с танталитом и бериллом, 7 -кварц-сподуменовая с танталитом, 8 - мелкопластинчатого альбита с танталатами, 9 - блокового кварца, 10 - блокового микроклина второй генерации. Микроклин и альбит - натриевый и калиевый полевые шпаты, соответственно NaAISi₃0₈ и KAISi₃0₈, мусковит - светлая калиевая слюда KAI₂(AI Si₃)O₁₀(OH, F)₂. Химический состав редкометальных минералов указан в табл.1 
 

РОССЫПИ

Редкометальные  минералы, устойчивые к химическому и физическому выветриванию, накапливаются в россыпях. Минералы группы танталита — колумбита концентрируются в россыпях ближнего сноса, коренным источником которых могут быть редкометальные граниты и пегматиты. Запасы таких россыпей обычно невелики, но в Африке они отрабатываются в основном дешевым старательским способом. До 1960 года главным   поставщиком   ниобиевых   (колумбитовых) концентратов была Нигерия, где на плато Джое разрабатывались выветрелые граниты и россыпи в рыхлых отложениях, намытых реками. В настоящее время, когда на мировом рынке ощущается острая нехватка тантала, его старательская добыча из россыпей и кор выветривания активизировалась во многих странах Африки — Конго, Нигерии, Бурунди, Руанде.

Тяжелые минералы циркония и РЗЭ (циркон и  монацит) концентрируются в крупных пластоообразных прибрежно-морских россыпях, главными полезными минералами которых являются ильменит (FeTi0₃) и рутил (ТЮ₂), служащие сырьем для производства титана. Несмотря на относительно низкое содержание тяжелых минералов (обычно 5—15% в кварцевых песках), россыпи выгодно отрабатываются сравнительно простыми и дешевыми способами. Из прибрежно-морских россыпей и по сей день извлекают 100% добываемого в зарубежных странах циркона, а также некоторое количество монацита.

С0Р0С0ВСКИЙ   ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ   ЖУРНАЛ,   ТОМ   7,   №11,   2001 

КАРБОНАТИТЫ И КОРЫ ИХ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Карбонатиты — продукты кристаллизации глубинных  карбонатных расплавов (магм). Месторождения  карбо-натитов и их кор выветривания (Nb), а также коренных карбонатитовых месторождений (La, Ce, Pr, Nd) были открыты и разведаны уже после второй мировой войны, когда интерес к использованию редких металлов начал стремительно расти. По сравнению с пегматитами и россыпями это были богатые и очень крупные месторождения, два из которых были быстро освоены промышленностью и стали основными источниками ниобиевого и редкоземельного сырья в мире: Араша в Бразилии и Маунтин-Пасс в США. Запасы полезных компонентов в них измерялись уже несколькими миллионами тонн при содержании в первом из них 2,5% Nb₂O_s (в коре выветривания), во втором 7—8% TR₂0₃.

  Щелочные  интрузивные комплексы, включающие карбонатиты, залегают среди древних пород, возраст которых на сотни миллионов лет превышает возраст самих месторождений: мезозойский (120—90 млн лет) и палеозойский (550—250 млн лет) для пирохлоровых карбонатитов и позднепротерозойский (-1400 млн т) для бастнезитовых. К настоящему времени на земном шаре известно около 20 месторождений пирохлоровых карбонатитов и их кор выветривания. Из коренных карбонатитовых месторождений, в которых содержание пирохлора в руде обычно не более 1—1,5%, разрабатывается только месторождение Сент-Оноре в Канаде (0,9% Nb₂O_s в руде). В корах выветривания карбонатитов концентрация пирохлора увеличивается в несколько раз, поскольку породообразующие минералы кальция и магния при выветривании растворяются и выносятся. Вертикальная протяженность кор выветривания в тропических странах достигает сотен метров, а занимаемая ими площадь — нескольких десятков квадратных километров. Только одно месторождение Араша в Бразилии способно обеспечивать современный уровень производства и потребления ниобия в течение 500 лет, а в мире известны еще более крупные и богатые месторождения этого типа.

  Уникальное  по богатству руд Томторское месторождение (рис. 4), недавно разведанное на севере Якутии, на отдельных участках содержит руды с 6—8% Nb₂O_s и 12% TR₂0₃. По запасам пирохлоровых руд держит первенство месторождение Сейс-Лагос в Бразилии, ресурсы Nb₂O_s в котором определены в 80 млн т при его содержании 2,5%.

  Среди бастнезитовых (редкоземельных) карбонатитов теперь также известны гигантские по запасам и очень богатые месторождения. В Китае в начале 80-х годов XX века освоено коренное карбонатитовое месторождение Баюнь Обо, запасы в котором составляют 36 млн т TR₂0₃ при содержании 5—6 %, а прогнозные ресурсы — около 100 млн т. Самое богатое по содержанию полезного компонента в руде редкометальное месторождение Маунт-Уэлд было в 80-х годах разведано в Австралии. Богатые участки коры выветривания карбонатитов содержат 23,6% TR₂0₃ в расчете на 1 млн т их запасов, а при содержании 16,7% TR₂0₃ запасы увеличиваются до нескольких миллионов тонн. На месторождении Маунт-Уэлд известны также зоны с высокой концентрацией тантала (0,034% Ta₂O_s) и ниобия (0,9% Nb₂O_s). В настоящее время месторождение подготавливается к освоению.

  В России редкие металлы добывают в  бедном по содержанию, но крупном по запасам нескольких металлов Ловозерском месторождении лопарита (см. табл. 1), открытом в 1934 году. Оно расположено на Кольском полуострове и связано с крупным массивом нефелиновых сиенитов — магматических пород, в основном состоящих из алюмосиликатов Na и К. Такие массивы на Земле исключительно редки. Возраст Ло-возерского массива — 300 млн лет. Ловозерское месторождение — главный в России промышленный источник многих видов редких металлов: тантала, ниобия и редкоземельных элементов (лантана, церия, празеодима, неодима, самария, европия и гадолиния). 

, Рис. 4. Геологическая схема массива Томтор по А.В. Лапину и А.В. Толстову, с упрощениями: 1 - перекрывающие осадочные породы: песчаники, угли, конгломераты; 2-5- магматические породы: 2-сиениты, состоящие из щелочных полевых шпатов и нефелина, 3 - карбонатизированные бесполевошпатовые породы, состоящие в основном из пироксе-нов, 4 - поздние карбонатиты (доломит-анкерито-вые, кальцит-анкеритовые), 5 - ранние карбонатиты (доломит-кальцитовые и кальцитовые), 6 - рудоносные коры выветривания карбонатитов с пирохлором и монацитом; 7- разрывные нарушения. Нефелин (Na, K)AISi0₄, пироксены (Ca, Na)(Mg, Fe, AI)Si₂0₆, доломит CaMg(C0₃)₂, анкерит Ca(Fe, Mg) (C0₃)₂; кальцитСаС0₃. Химический состав редкоме-тальных минералов указан в табл. 1 

РЕДКОМЕТАЛЬНЫЕ  ЩЕЛОЧНЫЕ ГРАНИТЫ

Крупные комплексные редкометальные месторождения в гранитах, обогащенных щелочными металлами, были обнаружены в 50-х годах XX века в России, где разведаны два месторождения: Улуг-Танзекское в Туве и Катугинское в Читинской области. В середине 80-х годов, когда резко возрос интерес к иттрию в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в иттрийсодержащей керамике, подобные месторождения были открыты сразу в нескольких странах мира: Канаде, Саудовской Аравии, Австралии и Бразилии.

  Однако  до сих пор в мире обнаружено не более 10 щелочногранитных месторождений, и выводы об их образовании и размещении остаются предварительными. Известные крупные месторождения (Тор Лейк и Стрейндж Лейк внаде, Питинга в Бразилии, Брокмен в Австралии) имеют обычно протерозойский возраст (древнее 1 млрд лет) и так же, как и редкометальные месторождения других типов, расположены на выступах фундамента древних платформ, тяготея к зонам пересечения глобальных тектонических структур.

  В плане они, как правило, имеют округлую или овальную форму с поперечником от 1 до 5—6 км, а на глубину оруденение распространяется на сотни метров. Щелочногранитные месторождения характеризуются постоянным набором полезных компонентов и относительно устойчивым их содержанием: 0,02—0,04% Та₂0₅, 0,3-0,4% Nb₂O_s, 0,5-1,3% Zr0₂ и 0,2% TR₂0₃. Тантал и ниобий в соотношении 1: 10 концентрируются в пирохлоре и колумбите, цирконий — в цирконе (см. табл. 1). Редкоземельные минералы весьма разнообразны, но среди них важную роль играют минералы с большой долей иттрия и лантаноидов иттриевой группы (ксенотим, гагаринит).

Редкометальные  щелочные граниты — это самые  крупные по запасам месторождения  тантала и иттрие-вых РЗЭ, а  также крупнейшие коренные месторождения циркония. В некоторых месторождениях помимо

редкометальных  минералов содержатся касситерит Sn0₂ (месторождение Питинга в Бразилии) или криолит Na₃[AlF₆] (Катугинское в России), которые также могут добываться из руд.

  До  настоящего времени редкометальные месторождения в щелочных гранитах не разрабатывались. Планы их освоения активно обсуждались в конце 80-х годов, но были заморожены по тем или иным причинам. Наиболее реальный объект ближайшего освоения — коренные руды месторождения Питинга в Бразилии, которое, согласно результатам недавней разведки, является самым крупным месторождением тантала в мире с запасами 60 тыс. т Ta₂O_s. Компания "Паранапане-ма" планировала вложить в освоение месторождения 140 млн долларов. Предусматривается производство 500 т Та₂0₅, что соответствует трети его современного мирового потребления, а также 4000 т Nb₂O_s. Реализация этого проекта в значительной мере изменит структуру добычи танталового сырья, в которой на протяжении всей ее истории преобладающую роль играли пегматиты.

  В добыче бериллиевого и литиевого  сырья пегматиты в значительной степени также уступили место другим типам крупных месторождений. Бериллий с 1969 года добывается в США из руд месторождения Спер Маунтин, связанного с вулканическими породами. В настоящее время доля этого месторождения в мировой добыче бериллия составляет около 70%. Добыча карбоната лития теперь на 60% осуществляется попутно при разработке гигантских месторождений рапы соляных озер в Чили и Аргентине, ресурсы лития в которых составляют по нескольку миллионов тонн. Хотя содержание лития в этом виде сырья невысокое, простая и дешевая технология его извлечения позволила снизить цену на карбонат лития почти в 4 раза.

  Таким образом, изменение структуры сырьевой базы и добычи редкометального сырья шло в направлении от мелких к крупным и очень крупным месторождениям, которые теперь играют ведущую роль в структуре мировой добычи редкометального сырья (рис. 5). Существенно возрос и другой главный критерий оценки качества месторождений — содержание полезных компонентов в руде. Среди редкометальных месторождений уже имеются объекты, которые по этому показателю приближаются к разрабатываемым рудам не только цветных, но и черных металлов (табл. 2). Важное значение продолжают сохранять россыпи, в которых главным остается не содержание редкометальных минералов, а простота и экономичность их извлечения.

По современному и прогнозируемому уровню потребления мировая промышленность обеспечена запасами и ресурсами многих редких металлов на сотни лет. Относительный   дефицит   сырья   может   ощущаться только для некоторых металлов попутной добычи, в первую очередь Re, Ge, In, в том случае, если их потребление будет столь же стремительно развиваться, как это было в 90-е годы XX века, а темпы роста производства основных металлов не будут этому соответствовать. Однако практика предшествующих лет показывает, что как только промыпшенность начинает испытывать нужду в каком-либо металле, проблема решается чаще не заменой его в той или иной области применения, а путем открытия новых месторождений или нетрадиционных источников сырья.

  Острая  нехватка германия на рынке в середине 90-х годов, сопровождаемая 5—6-кратным  ростом цен, привела к открытию его  новых месторождений в Китае, Японии, Канаде и других странах мира. Еще более яркий пример — рений. Сейчас исследуется возможность получения рения из фумарольных газов действующего вулкана Кудрявый на о-ве Итуруп, поскольку на фоне быстрого роста спроса возможности традиционного источника — молибденовых концентратов, получаемых на месторождениях меди и молибдена, — оказались ограниченными.