(вторая половина ХХ в.)

Земля представляет собой достаточно замкнутую систему, теряющую в окружающее её пространство лишь газы земной атмосферы и космические корабли, достигшие второй или третьей космической скорости. Общие запасы металлов Земли практически не изменяются. В отличие от горючих полезных ископаемых, природные ресурсы металлов не являются невозобновляемыми. Судьба пришедших в негодность изделий из металла такова. В цивилизованных странах налажена селекция и сбор вторичного сырья, использование которого в ряде случаев в значительной степени уменьшает потребность в первичном металле. Не использованные в качестве вторичного сырья изделия разрушаются, претерпевая физические и в ряде случаев химические изменения, полностью диссипируют в биосфере и затем вновь концентрируются природой в течение тысячелетий в результате ещё неизвестных науке процессов. В связи с этим на ближайшую историческую перспективу минеральные ресурсы металлов можно признать условно невозобновляемыми.

Минеральный состав горной массы месторождения представлен одним или несколькими минералами целевого металла (или несколькими целевыми или «ценными» металлами) и породообразующими минералами, которые считаются обычной «пустой» породой.

Любое месторождение характеризуется повышенной (по сравнению с кларковой) концентрацией целевого компонента, а отношение средней концентрации элемента в породах месторождения к кларку называется коэффициентом концентрации. Для широко распространённых в земной коре металлов коэффициент концентрации обычно не превышает 5 (для Ti, Al, Fe – от 2,27 до 5), для таких металлов, как Ag, Pb, Au, Hg, он достигает 1000–4000, для урана – обычно 400, для ванадия 100. Для большинства месторождений редких металлов коэффициент концентрации находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен.

Вопрос о возможности считать горную породу, характеризующуюся повышенным содержанием ценных компонентов, рудой решается в основном с экономической точки зрения. Руда – это горная порода, состоящая из ценных минералов и пустой породы, из которой на данной стадии развития технологии экономически выгодно добывать целевые продукты (металлы, соединения и т.д.).

Для каждого металла существует нижний предел концентрации в природных образованиях, который позволяет считать данную смесь ценных минералов и пустой породы рудой, т.е. экономически выгодным (на данном этапе экономического и технического развития) источником данного металла (табл. 6).

Таблица 6

Минимальное содержание экономически значимых химических элементов в минеральных рудах и среднее содержание этих элементов в земной коре

Считается, что руды, содержащие менее 0,002–0,004 % U₃O₈, не могут рассматриваться как источник урана для ядерной энергетики, однако, в случае попутного извлечения других ценных компонентов бедного по урану сырья (к примеру, золота) производство урана может стать рентабельным.

Понятие о руде изменяется по мере развития технологии и исчерпания запасов богатейших и легкодоступных источников. Ярким примером в этом отношении являются медные руды. Ещё в начале ХХ века в США медной рудой считалась горная порода, содержащая не менее 4 % меди. Сейчас добывается и перерабатывается руда, содержащая 0,6 % меди и менее. В большинстве случаев руды различных металлов становятся всё более бедными, однако иногда эта закономерность нарушается в результате новых геологических открытий (табл. 7).

Таблица 7

Содержание металлов в товарной руде СССР (1965 г. – 100 %)

Общая тенденция такова, что несмотря на некоторые исключения, концентрация металлов в товарной руде падает. Этот вывод можно подтвердить данными рис. 2, который показывает снижение качества медной товарной руды в США.

Рис. 2. Снижение качества медной руды, добываемой в США (1906 – 1990 гг.).

До 1910 г. в США добывалась руда со средним содержанием меди 2–2,5 %. С тех пор наблюдается непрерывное снижение содержания металла в руде. Пик в 30-е годы и незначительное увеличение содержания в 80-е были вызваны экономическими спадами, когда закрывались рудники, работавшие на грани рентабельности, и функционировали лишь разработки богатых рудных месторождений.

По мере снижения среднего содержания металла в руде с 8 до 3 % наблюдается едва заметное увеличение количества отходов на тонну полученного металла. При концентрации металла в руде менее 3 % количество отходов при производстве тонны металла резко возрастает. В итоге стоимость отделения отходов превысит стоимость произведённого металла.

При добыче бедных руд резко возрастает (по данным Медоуза) количество отходов на тонну производимого металла (рис. 3).

Рис. 3. Резкий рост количества отходов при добыче бедных минеральных руд

Одновременно требуется всё больше энергии для получения металла (Медоуз) (рис. 4).

Рис. 4. Энергозатраты, необходимые для извлечения металла из руды

1 – алюминий в глинах, 2 – алюминий в бокситах, 3 – железо в лопаритах, 4 – железо в немагнитном таконите, 5 – железо в гематите

Несмотря на малую распространённость некоторых редких элементов в земной коре, практически все они образуют собственные минералы. Исключение составляют Rb (изоморфно замещает калий в его минералах), Hf (примесь в минералах циркония) и некоторые другие. Известно несколько сотен минералов редких металлов, их число продолжает расти и в наши дни за счёт отыскания новых. Уже сейчас минералы редких металлов составляют более 10 % от общего числа минеральных видов.

Известны следующие особенности геохимии редких металлов:

· Благодаря изоморфизму с породообразующими элементами в процессе кристаллизации магмы они входят в состав породообразующих минералов – такие элементы не образуют богатых руд, часто являются рассеянными.

· Значительная часть редких элементов концентрируется в легкоплавких остаточных расплавах и растворах, из которых в процессе дифференциальной кристаллизации выделяются их собственные минералы (к примеру, редкометалльные пегматиты).

· Часть редких металлов образуют собственные, но чрезвычайно мелковкраплённые минералы. Это связано с кристаллизацией в условиях полузастывшей, вязкой магмы, когда затруднён рост кристаллов, образуются только их зародыши.

В соответствии с геохимической классификацией все элементы делятся на четыре группы.

Литофильные – это элементы горных пород. Эта группа наиболее многочисленная, в неё входят почти все редкие элементы. Для литофильных элементов наиболее характерны соединения с кислородом, подавляющая их масса входит в состав силикатов. В природе они также встречаются в виде оксидов, галогенидов, фосфатов, карбонатов, реже сульфидов (преимущественно парамагниты).

Халькофильные (или тиофильные) элементы встречаются в природе чаще всего в виде сульфатных руд: Ca, Ag, Au, Zn, Gd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, S, Se, Te. Кроме сульфидов эти элементы образуют также селениды, теллуриды, сульфосоли (исключение – олово, встречающееся часто в виде оксида SnO₂ – касситерита).

Сидорофильные (от греческого sideros – железо) – это элементы VIII группы, а также Mo и Re (всего 11 элементов). Обычно обнаруживают специфическое сродство к мышьяку, а также к сере, фосфору, углероду и азоту.

Атмофильные элементы – элементы атмосферы.

Вопрос об истинных, доступных для человека запасах элементов во многих отношениях неопределённый. Следует отметить, что определённость и единообразие отсутствуют даже во встречающихся в литературе терминах.

Количество минерального сырья в недрах Земли и на её поверхности, на дне водоёмов и в объёме вод, определяемое по данным геологоразведки, называется запасами полезных ископаемых. По степени достоверности их определения в нашей стране запасы делятся на четыре категории: А, В, С₁ и С₂.

В категорию А входят детально разведанные месторождения, В – предварительно разведанные, С₁ – слабо разведанные или находящиеся в сложных геологических условиях, С₂ – перспективные запасы, определённые с учётом аналогии со сходными детально разведанными или с учётом других факторов.

Месторождение вводится в эксплуатацию при наличии в нём запасов различных категорий.

Запасы, которые целесообразно разрабатывать на современном уровне техники и состояния экономики относят (включают) в балансовые. Те запасы, экономически выгодное освоение которых может быть осуществлено в будущем, являются забалансовыми.

Балансовые запасы составляют государственный резерв полезных ископаемых. Суммарное количество полезных ископаемых в балансовых и забалансовых месторождениях (включая запасы категории С₂) часто в литературе именуются просто запасами или минеральными ресурсами.

Представляется очевидным, что резервы и ресурсы при современном уровне их потребления должны постоянно сокращаться. На деле это не так (табл. 8).

Таблица 8