Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Полезные ископаемые	$, млрд	% (отн.)
Газ	9190	32,2
Уголь и сланцы	6651	23,3
Нефть и конденсат	4481	15,7
Чёрные металлы	1962	6,8
Цветные и редкие металлы	1807	6,3
Благородные металлы и алмазы	272	1,0
Уран	4	<0,01
Прочие полезные ископаемые	4193	14,7
Итого	28560	100

 

По характеру сырья запасы представлены следующим образом:

Горючие ископаемые       71,2 %

Рудное сырьё            14,1 %

Прочие                      14,7 %

Редкие металлы имеют не более 1 % в суммарной стоимости добываемого минерального сырья и производимой из него металлургической продукции, но зато являются компонентами наиболее передовых производств. Германий, индий, тантал служат элементной базой опто- и микроэлектроники; галлий, скандий, гадолиний – самых мощных лазеров; неодим, самарий, диспрозий – нового класса постоянных магнитов; иттрий, лантан, стронций, висмут, таллий – активно разрабатываемых высокотемпературных сверхпроводников; цирконий, иттрий – новой конструкционной керамики; ниобий, литий, ванадий, бериллий, рений, скандий – авиационных и космических материалов; цирконий, гафний – ядерной техники; литий, бериллий, ванадий – термоядерной энергетики. Многие из перечисленных элементов используются для легирования и модификации чугуна, стали, алюминия и других металлов.

Постоянное расширение сферы применения редких элементов обеспечивает экономию природных ресурсов, повышает качество продукции, снижает затраты. Так, незначительные добавки лития в электролит при получении алюминия приводят к большой экономии энергоресурсов, резко сокращают выбросы в атмосферу токсичного фтора. Тенденция к уменьшению удельного потребления сырья и оптимизации энергозатрат привела к снижению в промышленно развитых странах на  20 – 50 % потребление ископаемого топлива, железа и ряда других традиционных видов сырья, а расход редких металлов, напротив, увеличился в несколько раз: за рубежом по темпам роста производства и потребления редкие металлы опережают многие традиционные виды сырья (см. рис. 6).

Основными потребителями редких металлов в мире являются страны, располагающие передовыми производствами. Поскольку многие из этих металлов используются в оборонных отраслях промышленности, их относят к группе стратегических, обеспечивающих экономическую безопасность и обороноспособность любого государства.

Хотя запасы многих редких металлов бывшего СССР были сосредоточены на территории России, с распадом Советского Союза Россия потеряла значительную часть запасов некоторых из них (табл. 20).

 

Таблица 20

Потенциал России

Металл	Удельный вес России, %
	в запасах		в производстве
	1	2	1	2
Pb	10,2 (3)	34,4	1,5 (14)	20,6
Zn	14,5 (1)	48,1	2,9 (9)	39,2
Cu	11,1 (3)	52,8	7,0 (4)	58,2
Ni	28,6 (1)	95,3	26,5 (1)	97,7
Nb	34,8 (2)	99,8	14,6 (3)	100
Ta	73,1 (1)	98,7	16,1 (1)	83,4
Sn	21,4 (1)	91,1	9,3 (5)	99,2

1 – мировых; 2 – бывшего СССР; в скобках – место среди всех стран.

 

Особенно тяжёлое положение сложилось в области запасов таких, к примеру, металлов, как Re, Zr, основные традиционные источники которых остались вне границ Российской Федерации.

Кроме того, сырьевая база России обладает рядом особенностей, отличающих её от сырьевой базы большинства зарубежных стран. Материал по этому вопросу цитируется по Сборнику тезисов докладов "Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов в России в ХХI веке" (М., 1998 г.).

В докладе Кременецкой А. А., Быховской Н. З. и Елютина А. В. приводятся следующие данные.

Среди редких металлов к основным видам стратегического минерального сырья, утверждённым распоряжением Правительства РФ № 50 от 16.01.96 г., отнесены: цирконий, тантал, ниобий, скандий, бериллий, литий, германий, рений, редкие земли иттриевой группы.

Большинство из перечисленных элементов образуют собственные и комплексные месторождения, и только скандий, германий и рений, входящие в группу рассеянных элементов, – типичные попутные компоненты других видов минерального сырья. В то же время и металлы первой группы могут являться попутными компонентами, а металлы второй группы иногда создают собственные месторождения.

Отечественная минерально-сырьевая база (МСБ) многих редких металлов (Zr, Ta, Nb, Be, Li, TR) по величине запасов, учтённых Государственным балансом, занимает ведущее положение в мире, но уступает зарубежным месторождениям по качеству руд, горно-техническим условиям разработки и географо-экономическому положению. При этом основная часть запасов заключена в месторождениях потенциально промышленных типов, которые нигде в мире не разрабатываются.

Общей особенностью многих месторождений редких металлов является высокая комплексность руд. Комплексными являются не только руды, но часто их полезные минералы (лопарит, колумбит, эвдиалит, слюды, апатит, ильменит и др.). Основными обычно являются 2 – 3 полезных компонента, подсчитываются и утверждаются до  8 – 10 компонентов. Потребность же в этих компонентах может сильно варьировать  при дефиците одних и избытке других, что неизбежно сдерживает освоение этих месторождений. Значительная часть запасов представлена технологически сложными рядовыми и бедными рудами, характеризующимися тонкой вкраплённостью полезных минералов и близостью их физических и химических свойств. Нередко большую потенциальную ценность имеет нерудная составляющая редкометалльных месторождений, доля которой в стоимости товарной продукции может достигать более 50 %. Использование нерудной составляющей часто определяется возможностью её реализации на местном рынке, что ограничивает мощности проектируемых предприятий, если доля этой составляющей в выпуске товарной продукции существенна. Монометалльные месторождения редких металлов в России крайне редки, и перспективы их выявления ограничены.

Цирконий. Занимая 3 место в мире по разведанным запасам, заключенным в     7 балансовых и 4 забалансовых месторождениях, Россия имеет лишь одно эксплуатируемое Ковдорское месторождение Кольского полуострова, где бадделеит добывается попутно в количестве до 5 тыс. т в год при разработке                       апатит-магнетитовых руд. В СССР основное количество цирконовых концентратов  (~ 40 тыс. т) производилось на Украине. Дефицит цирконового сырья существовал и в СССР, когда ежегодно импортировалось из Австралии 10–12 тыс. т цирконовых концентратов. В настоящее время вся потребность российских предприятий в цирконе удовлетворяется за счет импорта.

Все балансовые запасы циркония России заключены в комплексных рудах:     34,7 % – совместно с титаном, 15,3 % – с железом и 50 % – с танталом, ниобием и редкими землями. К активным сегодня можно отнести лишь около четверти учтённых Государственным балансом общих запасов циркония, заключённых в коренном Ковдорском месторождении и частично – в четырёх Ti–Zr россыпных месторождениях (Туганском, Лукояновском, Центральном, Тарском). Но все они вместе не смогут обеспечить прогнозируемую потребность России в циркониевом сырье.

Необходимо скорейшее доизучение и освоение ряда комплексных Ti–Zr россыпей, а также завершение разведочных работ и технологических исследований новых видов циркониевого сырья – эвдиалитовых руд Аллуайвского (Мурманская область) и гельцирконбадделеитовых руд Алгаминского (Хабаровский край) месторождений.

Ниобий. Россия по запасам Nb занимает второе место в мире после Бразилии. Государственным балансом запасы учтены в 20 балансовых и 7 забалансовых месторождениях. Большая часть (почти 80 %) балансовых запасов приходится на ниобий-танталовые руды (эксплуатируемое Ловозерское месторождение, резервные – Катугинское, Улуг-Тагзек, Белая Зима (гатчеттолитовые руды), Неске-Вара, Среднезиминское и др.). При разработке этих месторождений, как правило, возможно лишь получение комплексных Ta–Nb концентратов, из которых гидрометаллургическим переделом получают технический Nb₂O₅, имеющий ограниченный спрос. К тому же потребности в ниобии в 20 раз превышают потребности в тантале, а соотношение Ta:Nb в перерабатываемом сырье 1:10. В то же время в мире наибольший интерес представляют монометалльные пирохлоровые концентраты и получаемый из них феррониобий. Сегодня в мире 99 % Nb добывается из пирохлоровых – существенно ниобиевых руд.

На долю собственно ниобиевых руд в России падает 18,3 %; из них к активным могут быть отнесены 1 % учтённых балансовых запасов: Ключ Ягодный в овражной россыпи (перемытые коры выветривания) Белозиминского месторождения и "Главная рудная зона" в корах выветривания Татарского месторождения. Но эти объекты могут обеспечить лишь частичное покрытие ближайшей потребности.

Создание надёжной отечественной сырьевой базы ниобия возможно за счёт руд участка Буранный Томторского месторождения и участка первоочередной отработки Большетачинского месторождения. Эти два объекта необходимо доизучить, утвердить запасы, поставить их на баланс.

Тантал. По запасам тантала Россия занимает 1 место в мире, превосходя мировые почти в 2 раза, но подавляющая их часть связана с бедными труднообогатимыми рудами. Запасы подобных месторождений за рубежом не относятся к промышленным категориям. Балансом учтено 20 балансовых и                 7 забалансовых месторождений, но к собственно танталовым (11,8 % запасов категории A+B+С) отнесены 11 пегматитовых месторождений и 2 редкометаллъных гранита.

В эксплуатации до недавнего времени находились 2 месторождения – Ловозерское и Орловское. Первое из них – также основной продуцент ниобия и редких земель цериевой группы. В настоящее время деятельность Орловского ГОКа (Забайкалье) прекращена, а Ловозерский ГОК ведёт добычу в ограниченном объёме.

Наряду с Ловозерским ГОКом, который может сохранить выпуск лопаритовых концентратов в том или ином объёме (при условии повышения экономической эффективности его работы), первоочередными для освоения являются руды Вишняковского месторождения, где возможно начать добычу наиболее богатой западной части, а также россыпи, коры выветривания и богатый участок коренных руд Катугинского месторождения. Предусмотренное программой "Либтон" освоение Этыкинского месторождения, идентичного Орловскому, вряд ли окажется рентабельным.

Редкие земли. Государственным балансом учтены запасы суммы оксидов РЗМ по 14 месторождениям, однако только в Катугинском и Ловозерском они входят в число главных компонентов руд, во всех остальных являются попутными. Основной объём балансовых запасов РЗМ приходится на металлы цериевой группы. По величине запасов РФ уступает лишь Китаю. Иттрий и редкие земли его группы в значительной доле присутствуют только в Катугинском месторождении, а также частично в апатитах, учтённых Государственным балансом. Перспективным сырьём являются эвдиалитовые руды.

Проблема обеспечения потребности России индивидуальными редкими землями цериевой и иттриевой групп может быть решена в случае освоения Томторского месторождения. Существенное увеличение их производства возможно и при переходе переработки апатитовых концентратов на азотно-кислотную переработку, а также при освоении эвдиалитовых месторождений.

Бериллий. Запасы ВеО учтены в 27 балансовых (7 существенно бериллиевых) и    8 забалансовых месторождениях. Основная их часть приходится на комплексные месторождения – 59 % по категории B+С₁ и 80,6 % по категории С₂, в том числе на редкометалльные пегматиты – соответственно 43,4 % и 61,4 %.

Занимая второе место в мире по учтённым запасам бериллия, Россия не располагает активной сырьевой базой из-за низкого качества руд, числящихся на Государственном балансе. Надежды на дальнейшее развитие бериллиевой промышленности связаны с реализацией федеральной программы "'Либтон", где предусмотрено возобновление эксплуатации Ермаковского месторождения флюорит-бертрандитовых фенакитовых руд и восстановление производства бериллового концентрата из руд Завитинского месторождения.

Вместе с тем, возможным источником Be могут стать хвосты обогащения флюоритовых месторождений, разрабатываемых Ярославским ГОКом. При автоклавном переделе текущих хвостов обогащения получаемое количество бериллиевых продуктов сможет не только полностью удовлетворить внутренние потребности страны, но и позволит их экспортировать.

Литий. По запасам Li₂О Россия занимает одно из ведущих мест в мире. Балансом учтены запасы 14 месторождений, в том числе в 10 редкометалльных тантал-литиевых и танталовых пегматитах и 2-х слюдистофлюоритовых метасоматитах. К сожалению, значительную часть запасов Li₂O в современных условиях следует отнести к неактивным. Формально обеспечение российской промышленности литиевым сырьём решает федеральная программа ''Либтон", но возможности её реализации в условиях рыночной экономики вызывают сомнения. Программой предусмотрено возобновление добычи в Завитинском месторождении с отработкой подземным способом его нижних горизонтов, а также промышленное освоение Этыкинского танталового месторождения, где Li₂О планируется извлекать попутно из слюд. Альтернативой может стать извлечение Li₂O из хвостов обогащения Ярославского ГОКа или разработка богатых участков приемущественно литиевых редкометалльных пегматитов – Колмозерского и Гольцового. Необходимо усилить поиски гидроминерального литиевого сырья, завершить оценку Алахинского месторождения – нового перспективного типа месторождений лития и тантала.

Скандий. Основным источником скандия в СССР были урановые руды и отходы обогащения ильменитовых концентратов. Вместе с тем балансом учтены запасы Sc только в 3-х бокситовых и 3-х оловянных месторождениях, из которых он не извлекается в силу нерентабельности схемы. Большие запасы скандия связаны с отходами железорудного производства на Качканарском ГОКе, но балансом запасов они не учтены. Крупномасштабное производство Sc может быть организовано при освоении Томторского Nb-TR месторождения. Целесообразна постановка на учёт запасов скандия в месторождениях урана (особенно разрабатываемых методом подземного выщелачивания) и титана.

Рений – наименее обеспеченный запасами редкий металл. На балансе числятся всего 3 месторождения медно-молибденовых руд, в которых содержится рений с очень небольшими его запасами. Основным источником рения являются импортные концентраты.

В настоящее время исследуется возможность извлечения рения из фумарольных газов вулкана Кудрявый (Курильская гряда, о. Итуруп), с которыми по некоторым данным в атмосферу ежегодно улетучивается около 2 т рения. Необходима оценка рениеносности и возможности извлечения рения из всех типов медного сырья: медно-никелевого, медистых песчаников, медно-порфировых месторождений России.

Таким образом, состояние минерально-сырьевых баз всех вышеперечисленных металлов позволяет по большинству из них удовлетворить потребности ближайшего времени, но на перспективу необходимо их качественное совершенствование и дальнейшее развитие, особенно если учитывать скачкообразное изменение спроса на редкие металлы, все шире применяющиеся в гражданских отраслях промышленности. Конкретные задачи для каждого из металлов различны. Для не обеспеченных сырьевой базой или активными запасами металлов эти задачи являются неотложными, поскольку МСБ (материально-сырьевая база) должна быть подготовлена заблаговременно. Очевидно, что созрела необходимость пересмотра Государственных балансов запасов стратегических редких металлов, создающих видимость благополучия их МСБ и высокой обеспеченности страны запасами. Следует выделить активные запасы, разработка которых в современных условиях может быть рентабельной, а остальные перевести в забалансовые или снять с учёта. Несомненна также необходимость проведения поисково-оценочных работ, направленных на выявление высокорентабельных редкометалльных месторождений.

Само понятие «стратегические металлы», как и их перечень, представляется недостаточно обоснованным. Важное значение для новых производств имеют такие редкие металлы как ванадий, индий, причём последний имеет ограниченные экономические эффективные сырьевые ресурсы. Крайне важной представляется разработка законодательных мер по защите стратегических ресурсов.

В докладе Машковцева Г. А., Быховского Л. З. и др.[2] говорится о насущной необходимости разработки федеральной концепции освоения, развития и совершенствования минерально-сырьевой базы РФ. Авторы доклада считают, что при разработке концепции следует предусмотреть:

1. Использование достижений научно-технического прогресса в изучении месторождений, в добыче, обогащении и переделе редкометалльного сырья, включающее:

•  применение передовых геофизических методов исследований (в том числе для подсчёта запасов), крупнообъёмного опробования, геолого-технологического картирования, современных аналитических методов при оценке редкометалльных объектов;

•  применение новых способов отработки рудных тел (подземного и кучного вы-щелачивания, скважинной гидродобычи и других геотехнологических методов), что позволит ввести в промышленное освоение ряд глубоко залегающих месторождений и часть труднообогатимых или низкокачественных руд;

• широкое внедрение радиометрической сортировки и сепарации, позволяющее сократить количество материала, поступающего на глубокое обогащение, повысить его качество, соответственно сократив затраты на транспортировку и переработку руды, т.е. создать экономические предпосылки для рентабельной отработки сравнительно бедных руд, а также для вовлечения в промышленное освоение складированных отвалов забалансового минерального сырья;

• использование современного горного и обогатительного оборудования;

• усовершенствование существующих и создание новых способов обогащения руд и переработки продуктов обогащения, улучшающих технологические показатели по объему и качеству конечной продукции (принципиально новые способы – селективная флотация тонких – менее 20 мкм – частиц; сухая магнитная сепарация исходных руд в поле высокой напряженности; химическая переработка некондиционных продуктов обогащения).

2. Создание геолого-экономических моделей редкометалльных месторождений, предусматривающих:

• выделение (в пределах разведанных или оценённых низкорентабельных мес-торождений) частей и блоков с богатыми, наиболее технологичными или легче отрабатываемыми рудами;

• экономически целесообразное комплексное использование месторождений, в том числе попутных компонентов руд, элементов-примесей рудных концентратов с оценкой возможности утилизации отходов обогащения, вскрышных и вмещающих пород, а также дренажных (шахтных) вод.

3. Учёт и вовлечение в отработку небольших рентабельных рудных объектов, не нуждающихся для освоения в крупных капвложениях, в первую очередь россыпей и кор выветривания, с получением на современных модулях черновых или некондиционных концентратов с последующим их разделением или доводкой на имеющихся предприятиях.

4. Вовлечение в промышленное освоение нетрадиционных видов и источников минерального сырья: новых типов руд (например, эвдиалитовых, перовскитовых, гатчеттолитовых и др.), попутных продуктов добычи, обогащения или переработки другого минерального сырья (чёрных, цветных, благородных металлов, горно-химического и нерудного сырья, нефти, угля и др.), природных минерализованных вод, промышленных отходов, перемещаемых горных масс и др.

В целом стратегия освоения минерально-сырьевой базы должна основываться на достижениях научно-технического прогресса в деле рационального и комплексного использования недр. Только в этом случае отечественные месторождения могут стать конкурентоспособными в сравнении с зарубежными.

В заключение следует подчеркнуть огромную роль совершенствования использующихся в отрасли технологических процессов, отыскания новых решений. В конечном счёте, как было показано выше, вопрос об отнесении конкретных руд в разряд балансовых запасов определяется экономическими соображениями: выгодно или нет добывать на современном уровне технологии из данной породы требуемый металл. В конечном счёте все расчёты могут быть переведены в энергетическую область: затраты на осуществление конкретного технологического процесса могут выражаться в виде затрат энергии. При этом следует учитывать расширение доступа к энергетическим источникам (что на современном этапе развития энергетики во многом определяется степенью освоения ядерной энергетики, а в будущем, видимо, солнечной и термоядерной). Доступ к более дешёвым и обильным источникам энергии передвигает границу между месторождениями и породой в область снижения минимальной концентрации извлекаемого элемента (см. табл. 6). Запасы же всех без исключения элементов в земной коре на много порядков превышают запасы признанных сегодня месторождений (табл. 21).

 

Таблица 21

Содержание металлов в земной коре и месторождениях (до глубины 2 км)

Металлы	Содержание металлов, т		Отношение, зем.кора/руды
	в земной коре	в рудах
Алюминий	1,5·1016	5,0·108	3,0·107
Цинк	2,4·1013	8,2·107	2,9·105
Медь	1,8·1013	1,8·108	1,0·105
Олово	7,0·1012	5,1·106	1,4·106
Свинец	3,0·1012	5,1·107	1,6·104
Молибден	2,7·1012	1,6·106	1,7·106

 

В конечном счёте, в случае обладания неограниченным количеством энергии (гипотетический случай) любой элемент можно выделить из любой земной породы.

Немецкие химики Ида и Вальтер Ноддак впервые высказали мысль о том, что все химические элементы являются повсеместно распространёнными. По их мнению, следы любого элемента, концентрация которого в земной коре превышает 10^–9 %, всегда присутствуют во всех горных породах, слагающих земную кору.

Легко подсчитать, что 100 т обычной магматической породы (гранит) содержит: Al 8 т; Fe 5 т; Ti 540 кг; Mn 80 кг; Cr 30 кг; Ni 18 кг; V 14 кг; Cu 9 кг; W 4,5 кг;           Pb 1,8 кг. 1 т гранита содержит столько U и Ti , что их энергетический потенциал эквивалентен 50 т угля.

Не вызывает сомнений тот факт, что при разработке концепции использования сырья редких металлов одним из основных является вопрос выбора оптимальных способов переработки данного сырья. При этом комбинация пиро-, гидро- и сольвометаллургических процессов позволит решить растущие проблемы экономичной переработки бедного (и даже убогого) комплексного и труднообогащаемого сырья.

Сегодня человечество удовлетворяет свои потребности в металлах (в том числе редких) за счёт переработки руд, включающих основные (наиболее распространённые) минералы. Ниже представлены краткие сведения о минералах и запасах редких металлов, охватываемых данным курсом.

Легко видеть, что далеко не все металлы, охватываемые настоящим курсом, относятся к очень мало распространённым в земной коре. Следовательно, к ним больше подходит приведенное выше определение технологической, чем геохимической редкости. В табл. 22 представлены кларки включённых в текст металлов (в основном, по данным Эмели Дж. «Элементы», М. : Мир, 1993. 256 с.).

 

Таблица 22

Кларки (мас. %) элементов в Земной коре

Элемент	Кларк·104	Элемент	Кларк·104
Литий	20–27	Лютеций	0,32–0,51
Бериллий	1,6–2,6	Иттрий	30
Лантан	32	Скандий	10–16
Церий	68	Титан	4500–5600
Празеодим	9,5	Цирконий	140–190
Неодим	38	Гафний	3,8–5,3
Самарий	7,9	Ванадий	160–200
Европий	2,1	Ниобий	20
Гадолиний	7,7	Тантал	2,0
Тербий	1,1	Молибден	1,5
Диспрозий	6,0	Вольфрам	1,0
Гольмий	1,4	Торий	12–13
Эрбий	3,8	Уран	2,4
Тулий	0,48	Рений	(4–7)·10-4
Иттербий	2,2–3,3	–	–

Литий

В природных средах литий имеет три основные формы нахождения: собственные минералы, изоморфная примесь в других минералах и растворимые соединения в природных водах. По размеру ионного радиуса литий наиболее близок к двухвалентному железу, магнию и алюминию. Эти элементы способны изоморфно замещаться литием в их природных соединениях, вплоть до образования собственных минералов последнего. Преимущественное количество лития находится в рассеянном состоянии.

Мировые подтверждённые запасы лития (без стран СНГ) составляют 17,4 млн т Li₂O (оценка 1996 г.). Наиболее крупные запасы, сосредоточенные в поверхностной и близповерхностной рапе: в Боливии (66 %) и Чили (17 %). Рапа – насыщенный соляной раствор в водоёмах, пустотах и порах донных отложений соляных озёр. Запасами лития в пегматитовых рудах располагают (%): США – 5, Канада – 4,5, Заир – 4, Австралия – 2 и Зимбабве – 1,3.

Мировое производство лития в 1996 г. составило 21,5 тыс. т Li₂O. Основными производителями литиевых концентратов являются США – 42 %, Чили – 21 %, Австралия – 18 %, а литиевых соединений – США, Германия и Япония. Потребление лития оценивают в 17,2 – 19,4 тыс. т Li₂O, основные потребители – США, Япония и страны ЕЭС.

Россия занимает одно из ведущих мест по запасам лития, на её долю приходится 96 % запасов лития в странах СНГ. В России 61 % запасов лития сосредоточен в Восточной Сибири, 36 % запасов находится в районах Крайнего Севера, 2 % – на Дальнем Востоке. Потребности России оцениваются в 1,5–1,8 тыс. т Li₂O в год.

В странах СНГ запасы лития имеются в редкометалльных пегматитах (Украина, Казахстан, Узбекистан), в литиеносных метасоматитах среди осадочно вулканогенных пород (Узбекистан) и в глубоко залегающих хлоридных рассолах (Узбекистан, Белоруссия, Туркмения). Метасоматизм – процесс замещения одних минералов другими с существенным изменением химического состава амфиволы горной породы, но с сохранением объёма и твёрдого состояния при воздействии растворов, обладающих высокой химической активностью.

Преобладающее количество минералов лития встречается в кислых магматических породах – пегматитах и гранитах, а также связанных с ними гидротермально-метасоматических образованиях: грейзенах – горных породах, состоящих в основном из кварца и светлых слюд; скарнах – поликристаллических горных породах, сложенных известково-магнезиально-железистыми силикатами; околожильных и позднетермальных метасоматитах. В них сосредоточены также промышленные минеральные скопления лития.

Промышленные минералы лития – сподумен (92 % мировых запасов лития в пегматитах), лепидолит (4 %), петалит (4 %), амблигонит и эвкриптит (менее 0,1 % каждый), также циннвальдит, среди которых первый имеет наибольшее значение.

Сподумен. LiAl[Si₂O₆]. Теоретическое содержание Li₂O 8,1 %, на практике от 6 до 7,5 % (замещён на Na, Ca, Mg, Fe, иногда содержит до 0,1 % Ga). Твёрдость 6,5–7, плотность 3,2, температура плавления 1380 ºС. При нагревании до 1000–1100 ºС моноклинная природная модификация (α-сподумен) переходит в тетрагональную     (β-сподумен). При этом происходит резкое увеличение объёма кристаллов минерала (на 24 %), падение плотности до 2,4, прочность β-сподумена резко падает по сравнению с α-модификацией.

Лепидолит. KLi_1,5Al_1,5[Si₃AlO₁₀] (Fe,OH)₂ – литиевая слюда, содержит от 2 до 6 % Li₂O, основные примеси MgO, FeO, CaO, Na₂O, MnO, Rb₂O, Cs₂O. Кристаллизуется в моноклинной решетке. Твёрдость 2,5 – 4; плотность 2,8 – 3,2.

Циннвальдит. KLiFe^IIAl[Si₃AlO₁₀] (Fe,OH)₂ – литиевая слюда, содержит от 1 до     5 % Li₂O. Решётка моноклинная, плотность 2,9 – 3,2, твёрдость 2 – 3. Плавится при 950 – 1000 ºС.

Петалит. (Li,Na) AlSi₄O₁₀. Содержит от 2 до 4 % Li₂O. Моноклинная решётка, плотность 2,3 – 2,5, твёрдость 6 – 6,5. При 680 ºС разлагается с образованием        β-сподумена.

Амблигонит. LiAl[PO₄] (Fe,OH). Содержание Li₂O от 7 до 9,5 %. Плотность      3 – 3,15, твёрдость 6. Запасы ограничены.

Эвкриптим. Li[AlSiO₄]. Содержание Li 6,1 %, тригональная сингония, цвет белый, светло-коричневый, жёлтый до кремового, иногда голубоватый, плотность         2,41 – 2,66, твёрдость 4,5 – 5. При температуре 972 ºС переходит β-модификацию.

Главным промышленным типом месторождений лития являются редкометалльные гранитные пегматиты (25 % разведанных запасов и 55 % добычи) и поверхностная рапа соляных отложений и озёр (75 % запасов и 45 % добычи). Рапа – насыщенный раствор солей в пустотах соляных отложений.

Почти все месторождения лития относятся к комплексным и их отрабатывают для получения лития с попутным извлечением других редких элементов (например, цезия, тантала), или с попутным извлечением литиевых минералов при обогащении редкометалльных руд. В разрабатываемых пегматитовых месторождениях содержание Li₂O составляет 1,3 – 3 %, иногда более. Наряду с литием, они часто служат сырьевым источником Ta, Nb, Be, Rb, Cs и Sn. Промышленная поверхностная и межкристальная сульфатно-хлоридная рапа содержит от 0,04 до 0,2 % Li₂O, а также соединения K, Na, Mg, B, Br, P, Ca, Rb. Литиевые соли получают из рапы попутно при её переработке на соду, сульфаты, хлориды и бромиды Na, K и Mg, буру и борную кислоту, другие полезные компоненты. Это, а также большие запасы и относительная простота извлечения солей лития из высокоминерализированных растворов с использованием естественного и искусственного выпаривания делают их высокорентабельным источником лития.

Месторождения лития грейзенового типа (грейзен – метасоматическая горная порода, часто содержит ценные рудные минералы в виде вкраплений), представленные циннавальдитовыми или амблигонитовыми рудами, имеют небольшие запасы, и их экономическая значимость невелика. Литий представляет практический интерес в качестве попутного компонента при получении вольфрамитовых и касситеритовых концентратов.

Отечественная минерально-сырьевая база лития отличается от зарубежной отсутствием промышленных месторождений литиеносных минерализованных рассолов и более низким (почти в 1,5 раза) содержанием лития в промышленных типах редкометалльных пегматитов. При этом последние хуже поддаются обогащению и расположены в районах, где плохо развита или не развита инфраструктура горнодобывающей промышленности. Потребности отечественной промышленности в литии до последнего времени удовлетворялись единственным разрабатываемым Забайкальским ГОКом Завитинским месторождением альбит-сподуменовых пегматитов. Однако прогнозируемый рост потребления лития в ближайшем будущем (до 1,5 – 1,8 тыс. т) делает актуальной проблему использования нетрадиционных источников литиевого сырья в России и странах СНГ. Главным образом, это месторождения, в ходе разработки которых литиевые минералы (лепидолит, циннвальдит, амблигонит и др.) могут быть извлечены попутно в процессе обогащения редкометалльных и других руд.

Градация промышленных месторождений лития по масштабам оруденения (тыс. т Li₂O): очень крупные 600 – 1200, крупные 300 – 600, средние 100 – 300 и мелкие        40 – 100.

Бериллий

Геохимические свойства бериллия определяются малым размером его ионного радиуса 0,34 Å, координационным числом 3–4, амфотерностью и валентностью 2. В отличие от других редких металлов, бериллий не имеет прямого геохимического аналога среди петрогенных двухвалентных, а также других элементов. Вследствие этого он существенно не рассеивается в других минералах, а большей частью концентрируется в виде собственных минералов. Замещение происходит, главным образом, за счёт кристаллохимического сходства тетраэдрических комплексов [BeO₄]^6–, [AlO₄]^5–, [SiO₄]^4–, [BeF₄]^2–.

Большое влияние на поведение бериллия в природных эндогенных процессах оказывает фтор, с которым бериллий образует устойчивые комплексные соединения. Фтор выполняет роль главного экстрагирующего (вымывающего) агента и переносчика бериллия в постмагматических процессах.

Бериллий – типичный литофильный элемент. Распространённость бериллия в земной коре и основных типах горных пород характеризуется следующими содержаниями, кларками (в г/т): земная кора – 1,5; магматические горные породы основного состава – 0,4; среднего состава – 0,9; кислого состава – 3,5; щелочные породы – 7,8; глины – 3,0; песчаники и карбонатные породы – 0,5; бокситы – 4,3; каменный уголь – 3,2.

Общие мировые запасы (без стран СНГ) на начало 1994 г. оцениваются в      1095,8 тыс. т оксида бериллия, из которых 177,7 тыс. т отнесены к категории подтверждённых. Из них 61,5 % приходится на Американский континент, 24,2 – на Азию, 11,8 – на Африку, 2,5 % – на Европу.

К настоящему времени промышленное значение имеют три минерала – берилл, бертрандит, фенакит, которые относятся к классу силикатов. Содержание оксида бериллия в них варьируется от 12 до 44 %.

В число потенциально промышленных минералов для извлечения бериллия входят восемь минералов – гентгельвин, гельвин, даналит, эвклаз, барилит, лейкофан, хризоберилл и бехоит, относящиеся к силикатам за исключением хризоберилла – сложного оксида и бехоита – гидроксида. Содержание оксида бериллия в этой группе минералов изменяется от 10 до 55 %.

Основной и до недавнего времени единственный промышленный минерал – берилл. Структурно берилл – кольцевой силикат, что делает его чрезвычайно упорным, с трудом поддающимся разложению. Состав берилла можно представить следующим образом: Be₃Al₂[Si₆O₁₈].

Теоретическое содержание BeO 14,1 %. Распространён в гранитах и пегматитах. Твёрдость 7,5 – 8, плотность 2,6 – 2,9. Чистый берилл бесцветен, примеси железа и хрома (главным образом) определяют его окраску. Окрашенные бездефектные разновидности кристаллов берилла являются драгоценными камнями: изумруд (зелёный); аквамарин (зеленовато-голубой); воробьевит (розовый); гелиодор (жёлтый). Ранее разрабатывался только крупновкраплённый берилл, связанный с гранитными пегматитами. Ныне для удовлетворения растущего спроса на металл и в связи с усовершенствованием процесса обогащения используются руды других типов месторождений, содержащие маловкраплённый минерал (например, комплексные сподумен-берилловые руды).

Бертрандит. Be₄[Si₂O₇](OH)₂ – содержит до 42 % BeO. Минерал бесцветный, иногда бледно-жёлтый. Основные примеси – Al³⁺ и Fe³⁺. Плотность 2,6, твёрдость 6,0.

Фенакит. Be₂[SiO₄] – островной силикат, содержит до 46 % BeO. Обычно – бесцветный, иногда окрашен примесями в винно-жёлтый или розовый цвет (основные примеси – MgO, CaO, Al₂O₃, Na₂O). Плотность 3,0, твёрдость 7,5. Часто встречается вместе с бериллом и хризобериллом. В настоящее время имеет большое промышленное значение.

Хризоберилл. Al₂BeO₄ – содержит до 20 % BeO. Окрашен в цвета от зелёного и зеленовато-жёлтого до буровато-жёлтого. Обычные примеси: Fe₂O₃ (до 6 %), TiO₂  (до 3 %), Cr₂O₃ (до 0,4 %). Драгоценная разновидность изумрудно-зелёного цвета – александрит. Плотность 3,5 – 3,8; твёрдость 8,5.

Гельвин. Mn₈(BeSiO₄)₆S₂ – содержит до 13,6 % BeO. Обычные примеси Fe, Zn и др. (до 15 %). Цвет – жёлтый, иногда – зелёный. Плотность 3,16 – 3,36; твёрдость       6 – 6,6.

По величине запасов оксида бериллия месторождения разделяются на (тыс. т): мелкие до 1; средние 1 – 5; крупные 5 – 20; очень крупные 20 – 50; уникальные – более 50.

Для собственно бериллиевых месторождений минимально-промышленное содержание в рудах составляет 0,20 – 0,35 % BeO, из комплексных руд попутный бериллий рентабельно извлекать и при 0,05 – 0,10 % BeO.

К убогим относятся руды со средним содержанием BeO 0,04 – 0,10 %, к бедным – 0,1 – 0,3, рядовым – 0,3 – 0,6, богатым – более 0,6 %.

Кроме собственных месторождений, бериллий широко распространён в комплексных редкометалльных месторождениях Mo, Sn, W, Li и др. В них бериллий может иметь попутное значение, а соответствующие концентраты обогащения должны очищаться от бериллия в связи с необходимостью экологической защиты окружающей среды от его токсического влияния.

 

Редкоземельные элементы

Наблюдается несколько закономерностей:

– содержание чётных лантаноидов всегда в два, а то и во много раз выше содержания соседних нечётных лантаноидов;

– содержание лантаноидов по мере увеличения их порядкового номера сильно уменьшается: среди нечётных лантаноидов почти в 100 раз – от 30 г/т у лантана       (№ 57) до 0,32 г/т у лютеция (№ 71), а среди четных – в 29 раз – от 64 у церия (№ 58) до 2,2 г/т – у иттербия (№ 70).

Редкие земли по абсолютному содержанию в земной коре стоят на одном из первых мест среди редких элементов, уступая лишь цирконию и стронцию. Содержание церия, лантана и иттрия превосходят кларки таких металлов, как свинец, цинк и медь. Даже лютеций распространён в земной коре гораздо больше, чем ртуть, серебро, золото, хотя по ценам на мировом рынке он сопоставим с Ag и Au.

Мировые подтверждённые запасы редких земель (без стран СНГ) оцениваются Горным бюро США в 100 млн т TR₂O₃, в том числе Китай – 48, США – 14, Австралия – 7, Индия – 3, Канада – 1, Бразилия – 0,5, остальные страны – 26,5.

Годовая добыча редкоземельного сырья (без стран СНГ) находится на уровне     60 – 80 тыс. т TR₂O₃. Основными производителями сырья являются Китай (~40 %) и США (более 20 %).

В России основные запасы редких земель сосредоточены (в %): в Мурманской области – 68, Саха-Якутии – 15, Читинской области – 7, Иркутской области – 5, Коми – 3, Туве – 2. Добыча редких земель производится Ловозерским ГОКом в Мурманской области.

К собственно редкоземельным минералам отнесены те виды, которые содержат больше 5 % суммы их оксидов. К настоящему времени выявлено около 120 собственных редкоземельных минералов. Однако промышленное значение имеют всего лишь пять из них. Основными минералами РЗЭ являются:

Монацит – ортофосфат редкоземельных элементов и тория. Средний состав минерала (%): Ln₂O₃ 50 – 68; P₂O₅ 22 – 31,5; Y₂O₃ до 5; ZrO₂ до 7; SiO₂ до 6; ThO₂ до 35; U 0,1 – 0,3 %.До недавнего времени – основной источник редкоземельных элементов и тория. Рост потребления европия заставил включить в промышленный оборот бастнезит, содержание в котором Eu₂O₃ (~ 0,1 %) выше, чем в монаците         (~ 0,04 %).

Теоретическое содержание R₂O₃ составляет ~ 70 % (включая 2 % Y₂O₃), однако среднее содержание редко превышает 65 %. Цвет минерала коричневый, жёлтый, иногда почти белый до зеленоватого. Полупрозрачен, хрупкий. Твёрдость 5 – 5,5, плотность 4,9 – 5,5. Умеренно парамагнитен.

Ксенотим – фосфат металлов иттриевой подгруппы. Теоретическое содержание Y₂O₃ до 67 %, обычно содержит 25 % Y₂O₃. Цвет жёлтый, красный, коричневый, иногда зеленоватый. Полупрозрачен. Хрупкий. Твёрдость 4 – 5, плотность 4,4 – 5,1. Умеренно парамагнитен.

Бастнезит – карбонато-фторид редкоземельных элементов (Ln)CO₃F. Средний состав: Ce₂O₃ 37 – 40; (La, Nd, Pr)₂O₃ 36,3; CO₂ 20; F 2,2 – 8,5 %. Теоретическое содержание R₂O₃ 75 % (включая ~0,05 % Y₂O₃). Минерал хрупок, цвет жёлтый, коричневый. Твёрдость 4 – 4,5, плотность 4,7 – 5,0.

Лопарит – титанотанталониобат редкоземельных элементов и тория. Средний состав (%): TiO₂ 39,2 – 40; Ce₂O₃ + La₂O₃ 32 – 34; Nb₂O₅ + Ta₂O₅ 8 – 10; CaO 4,2 – 5,2; Na₂O 7 – 9, примеси Sr, K, Si, Th 0,5 – 0,6 %. Хрупкий, твёрдость 5,5 – 6, плотность 4,6 – 4,9. Цвет чёрный, реже серовато-чёрный.

Эвксенит – сложный титанотанталониобат. Средний состав (%): Nb₂O₅ 18,3 – 33; Ta₂O₅ 1,0 – 25; TiO₂ 17 – 26,4; UO₂ 2,6 – 16; UO₃ до 12; ThO₂ 1,5 – 4,7; Y₂O₃             16,3 – 28,8; Ce₂O₃ 0,4 – 9,5; CaO 0,1 – 2,3; H₂O 1,4 – 4%. Твёрдость 5,5 – 6,5, плотность  4,3 – 5,9 (в зависимости от состава, увеличивается по мере увеличения содержания тантала). Цвет чёрный, коричневато- или буровато-чёрный, темно-бурый, реже зеленоватый. Электромагнитен.

Вместе с тем промышленное значение для извлечения редких земель имеют, например, каолинит в корах выветривания гранитов, перовскит, апатит и эвдиалит в щелочных массивах, содержащих меньше 2 % редких земель.

Месторождения, в которых РЗМ присутствуют в практически значимых количествах, исчисляются несколькими десятками. Подавляющая часть их относится к комплексным редкометалльным и только несколько – к собственно редкоземельным. Самостоятельное значение (за исключением мелких разрабатываемых объектов в КНР) имеют лишь три собственно редкоземельных месторождения: Баюнь-Обо – в КНР, Маунтин-Пасс – в США, Кутес-Сай – в Киргизии. Из них два первых, существенно цериево-земельных, представлены карбонатитами, генетически связанными с щелочными сиенитами, а третье – существенно иттриево-земельное – с метасоматитами в связи со щелочными гранитами. Все остальные известные типы месторождений являются комплексными, в которых редкие земли представляют попутный компонент и, как правило, сугубо второстепенный.

Для оценки редкоземельных месторождений важно отметить, что иттриевые земли на порядок дороже цериевых. Поэтому по абсолютному содержанию суммы P3М иттриево-земельное месторождение может быть в 5 – 8 раз беднее цериево-    -земельного, но в стоимостном отношении оно будет равновелико ему.

Комплексность руд и возможность попутного извлечения РЗМ делают эту категоризацию (особенно иттриево-земельных месторождений) весьма условной. Более того, даже очень бедные руды с содержанием значительно ниже 0,1 % иттриево-земельных и 1 % цериево-земельных P3М могут оказаться весьма рентабельными для попутного извлечения из них редких земель, например, при химико-металлургической переработке пирохлора в ниобий и его соединения.

В последнее время возрос интерес к различным техногенным источникам получения РЗМ. Это прежде всего золы углей, отходы их обогащения и химической переработки. В золах угля некоторых разрезов Приморья содержание иттрия и иттриевых лантаноидов составляет 0,1 %. Путём кучного выщелачивания можно извлечь из золы свыше 95 % иттриевых земель.

В продуктах очистки нефтей Западно-Кубанского бассейна установлено 10–15 г/т суммы иттрия и иттриевых лантаноидов, 40–70 г/т серебра и ряд других металлов. Перспективным и легко осваиваемым источником редкоземельных элементов являются шахтные и рудничные воды, получаемые при добыче угля и руд.

В шахтных водах Кизеловского бассейна установлено до 1,2 г/т иттриевых земель, а также много скандия и других ценных элементов. Их извлечение одновременно решает экологическую проблему, поскольку все стоки вод из горных выработок попадают в реки.

Заслуживают внимания также самоизливающиеся термальные воды молодых вулканических областей и техногенные растворы, получаемые при подземном выщелачивании урана (из них уже получают скандий, рений и др.).

Большие концентрации редких земель, особенно иттриевых, фиксируются в отвальных продуктах добычи и переработки почти всех типов урановых руд, а также некоторых типов месторождений чёрных и других металлов.

Апатит-нефелиновые руды и вмещающие их породы являются комплексным редкометалльным сырьём, так как кроме основных компонентов – фосфора и алюминия содержат редкие земли, стронций и фтор, концентрирующиеся в апатите; галлий и щелочные металлы (калий, натрий, рубидий, цезий), сосредоточенные в нефелине; редкие земли, титан, тантал и ниобий – в сфене; железо, титан и ванадий – в титаномагнетите и эгирине.

Среднее содержание в рудах титана приближается к 2 %, стронция – 1 %, суммы редких земель – 0,2 – 0,4 %, ниобия – 200 г/т, тантала – 16 – 20 г/т.

В рядовом апатитовом концентрате содержится (в %); SrO – 2,6–3,6; (LnCe)₂О₃ – 0,9–1,1; (Ln_y+Y)₂О₃ – около 0,1; F – 2,9–3,3. Среднее соотношение лантаноидов (в %): La – 29,5; Се – 46,4; Рr – 4; Nd – 4,6; Sm – l,7; Eu – 0,5; Gd – l,4; Tb – 0,2; Dy – 0,7;      Ho – 0,2; Er – 0,3; Tm – 0,05; Yb – 0,4; Lu – 0,08 (кроме того, Y – 10 %).

 

Скандий

Во всех природных соединениях скандий проявляет положительную валентность равную трём и в окислительно-восстановительных процессах не участвует. Скандий относят к переходным элементам. На разных стадиях природных процессов у скандия проявляются преимущественно литофильные свойства.

Соединения фосфора, содержащие скандий, как правило, отличаются высокой устойчивостью и слабой растворимостью не только в воде, но и в минеральных кислотах. В природных образованиях скандий содержится в виде примеси во многих фосфатах, образует собственный минерал кольбекит ScPО₄·2H₂O, а также накапливается в фосфатных костных остатках.

Скандий характеризуется хорошими сорбционными свойствами. Высокая сорбционная способность глинистых минералов, которые довольно прочно удерживают Sc³⁺, обусловливает накопление скандия в остаточных продуктах выветривания. Скандий образует соли органических кислот, растворимые в воде, например, оксалат Sc₂(C₂O₄)₃, что способствует его миграции в земной коре.

Основная масса скандия находится в породах земной коры в рассеянном состоянии, что в значительной степени определяется его геохимическим сходством с железом и в меньшей степени – с магнием.

Мировые запасы скандия имеют достаточно приблизительную оценку. По зарубежным данным они составляют 2400 т.

Значительные запасы скандия заключены в рудах целого ряда металлов (Fe, U, Al, Ti, Zr, W, Sn), а также в фосфатном сырье. С учётом достоверных запасов этих руд, из которых скандий в разное время извлекался в промышленных масштабах, ориентировочные его запасы оценивают в 0,5 – 1,8 млн т. Более 90 % запасов скандия заключено в бокситах, титановых рудах и фосфоритах. Весьма значительные запасы Sc сосредоточены в титаномагнетитовых пироксенитах (качканарский тип), в которых среднее его содержание составляет 0,01 %.

Опыт получения чистого скандия из различных видов сырья имеется в РФ, Казахстане, Украине, США, Норвегии, Канаде, Австралии, Франции, КНР. Точные данные об объёмах его производства отсутствуют. Ориентировочно производственные мощности получения очищенного оксида скандия составляют (кг): 500 в США, 120 в Норвегии, 100 во Франции, около 60 в КНР.

В природе известно ограниченное число собственных минералов скандия: тортвейтит (Sc,Y)₂Si₂O₇, баццит Sс₂Ве₃Si₆О₁₈, джервисит NaScSi₂O₆, каскандит CaScSi₃O₈(OH) и кольбекит ScPO₄∙2Н₂О. Содержание Sс₂О₃ в них составляет от 11 до 42 %. Все силикаты скандия обнаружены в гранитных пегматитах, гранитах, метасоматитах и только кольбекит – в фосфатных месторождениях. Из них лишь тортвейтит из гранитных пегматитов использовали в качестве скандиевого сырья. В перспективе возможно получение тортвейтитового концентрата из метасоматитов (месторождение Кумир, Россия).

По сравнению с собственными минералами скандия минералы, содержащие этот элемент в виде примеси (обычно 0,0005–0,3 % Sc), имеют широкое распространение. По своему составу скандиеносные минералы относят к сульфидам, галогенидам, сульфатам, оксидам и гидроксидам, вольфраматам, карбонатам, фосфатам, ванадатам и силикатам. Наибольшее их количество представлено силикатами и оксидами. Многие из скандиеносных минералов имеют или могут иметь практическое значение. Основные промышленные запасы скандия сосредоточены именно в них. Наибольшую практическую значимость среди минералов-носителей скандия играют силикаты, оксиды и фосфаты.

Наиболее крупные скопления скандийсодержаших руд относятся к магматическим месторождениям. Главными промышленными скандийсодержащими минералами в них являются пироксены: диопсид (до 0,02 % Sc) и эгирин (до 0,1 % Sc). Однако в современных условиях основными сырьевыми источниками для получения скандия являются ураноносные кварц-биотитовые (биотит – породообразующий минерал из группы слюд K(Mg,Fe)₃[AlSi₃O₁₄](OH,F)₂ метасоматиты (Радиум-Хилл, Австралия), фосфатные месторождения костного детрита (Меловое и др. в Казахстане), ильменитовые руды, обогащённые скандием (Стремигородское и др., Украина), касситеритовые и вольфрамитовые руды в грейзенах (KHP). Детритом называют мелкие частицы органического или частично минерализованного вещества, взвешенные в воде или осевшие на дно водоёма. Образуются из отмерших животных и растений и их выделений.

Перспективны для получения скандия бокситы, большинство месторождений которых характеризуются повышенным его содержанием (до 0,01 %). При переработке бокситов по методу Байера скандий (и TR) полностью переходит в красный шлам, который является потенциальным сырьём для его получения. Таким сырьём также являются зоны каменных и бурых углей, содержащие 0,0005 – 0,04 % скандия (Подмосковный, Донецкий и другие бассейны). В будущем интерес могут представить тортвейтитовые руды метасоматитов Кумирского месторождения (РФ).

Градация месторождений скандия по его запасам (т): крупные и особо крупные – от десятков тысяч до нескольких сотен тысяч, средние – до нескольких тысяч, мелкие – десятки-сотни и менее. В РФ наиболее крупные запасы скандия сосредоточены в титаномагнетитовых рудах Гусевогорского и Качканарского месторождений на Урале (сотни тысяч тонн Sc в каждом).

Россыпи прибрежно-морские и континентальные характеризуются повышенным содержанием скандия в ильмените (до 150 г/т), лейкоксене (до 120 г/т), рутиле         (до 50 г/т), цирконе (до 100 г/т) и монаците (до 300 г/т). Обычно скандия больше в ильмените континентальных россыпей (0,01 – 0,015 %) по сравнению с ильменитом прибрежно-морских (0,005 %). В РФ наличие скандия установлено в концентратах ильменит-цирконовых россыпей Туганского и Лукояновского месторождений. Из ильменита россыпных месторождений Украины скандий извлекали в промышленных масштабах. Помимо скандия для ильменита, рутила и циркона прибрежно-морских россыпей характерно повышенное содержание и других редких элементов (V, Ta, Nb, Hf, Zr, Y, Th, Ga, Ge).

Бокситы содержат до 0,012 % Sc, но чаще его содержание находится на уровне 0,003 – 0,005 %. В РФ повышенные содержания скандия установлены в бокситах Северо-Онежской (до 0,007 %) и Чадобецкой (0,009 %) групп. За рубежом повышенные концентрации Sc (0,003 – 0,012 %) отмечены в бокситах Венгрии, Греции, Югославии, Ямайки и Гвинеи. Скандий установлен как в собственных минералах алюминия (в бемите до 0,01 %, в гиббсите до 0,007 %), так и в оксиде и в гидрооксиде железа (до 0,008 %), а также в рутиле. Обычно железистые бокситы содержат больше скандия, чем светлые, содержащие мало железа.

Техногенное сырьё также содержит значительное количество скандия. К нему относят: красные шламы алюминиевого производства; различные виды отходов обогащения и переработки железных, титановых, урановых, оловянных, фосфатных руд; вольфрамовые кеки; золы каменных и бурых углей, а также битуминозных образований. Все указанные производства крупномасштабные и могут стать важным сырьевым источником для получения скандия. Среди них наибольшая роль принадлежит скандийсодержащим пироксеновым хвостам, накопленным в шламохранилище Качканарского ГОКа (Урал) и характеризующимся большими запасами.

Значительный интерес представляют отходы переработки титановых концентратов на пигментный TiO₂, содержащие Sc.

 

Титан

Титан по распространённости в земной коре занимает восьмое место.

Геохимия титана обусловлена сравнительно малыми радиусом иона, потенциалом ионизации и электроотрицательностью. Согласно В. М. Гольдшмидту, титан относится к семейству железа. Он изоморфно замещает Fe, Mg, Al, Zr во многих силикатах и замещается Fe, Та и Nb, с которыми имеет близкий по размерам ионный радиус. Титан ассоциирует с Са, V, Cr, Ce, Si, Mn, P, Sn, U, Y и другими элементами.

В природных условиях Ti встречается главным образом в четырёхвалентном состоянии, что определяет повышенную устойчивость его кислородных соединений. Четырёхвалентному титану свойственны амфотерные свойства. Он может образовывать простые катионы или комплексные анионы типа довольно распространённой группы TiO₃^2–. Двухвалентный титан в породах встречается очень редко, в настоящее время известен только один минерал – хонгвиит (ТiO). Присутствие TiО⁺ отмечено в силикатных минералах (пироксенах, амфиболах, биотите), ильмените и в редком минерале – армоколите. Омилит – собственный минерал трёхвалентного титана также встречается крайне редко. Свободный титан в природе не встречается. Амфиболы – группа породообразующих минералов подкласса цепочечных (ленточных) силикатов, с общей формулой                        (A,B)_7-8[Z₄O₁₁]₂(OH,F)₂, где A – K, Na, Ca; B – Al, Fe³⁺,Fe²⁺, Mg и др.; Z – Si, Al. Основа структуры – так называемая «амфиболовая лента» [Si₄O₁₁].

Титан относится к литофильным элементам – он не образует природных сульфидов и арсенидов, а также солей слабых кислот, так как сам является слабым основанием. Литофильность титана проявлена в его широком распространении в магматических породах.

Для гидротермальных образований титан мало характерен. В термальных водах он относится к элементам с очень слабой интенсивностью миграции. Он также обладает низкой способностью к миграции при метасоматических преобразованиях пород.

Титан в виде летучих галоидных и сернистых соединений (типа TiCl₄) найден до 5,52 мг/л в придонных конденсатах вулканических газов. Часть титана вулканического происхождения сорбируется гидроксидами железа и алюминия, а также глинистыми частицами и может с ними перемещаться в морской воде. В пелагических осадках океанов титан содержится в количестве 0,53 %. Глубоководные известковистые осадки содержат 0,077 % TiO₂, глинистые – 0,46 %. Пелагические отложения состоят из остатков планктоновых организмов, тончайших минеральных частиц, приносимых с суши, а также продуктов химических процессов, протекающих в море.

В условиях гипергенеза (гипергенез – совокупность процессов химического и физического преобразования минеральных веществ в верхних частях земной коры и на её поверхности при низких температурах под действием атмосферы, гидросферы и живых организмов) титан малоподвижен. В поверхностных условиях земной коры он в виде устойчивых минеральных разновидностей перемещается механически–         водными потоками, частично ветром, а не в форме истинных растворов. Этим определяется геохимия титана в зоне выветривания земной коры. При размыве и переотложении коры выветривания минералы титана накапливаются в терригенных отложениях – песках и глинах. В песках рутил и ильменит остаются практически неизменными. В глинах они обычно присутствуют в виде пелитовых частиц (пелиты – тонкозернистые, преимущественно глинистые осадочные горные породы, сложенные более чем на 50 % из частиц размером менее 0,005 мм.). В результате сортировки терригенных отложений (терригенные отложения – обломочные отложения, состоящие из обломков горных пород и минералов, вынесенных с суши в моря и океаны) в благоприятной гидродинамической среде (водными потоками рек, подводными течениями и в особенности прибойными волновыми движениями) в прибрежных зонах морей и озёр происходит концентрация тяжёлых минералов и образование титановых россыпей.

Мировые (без стран СНГ) подтверждённые запасы титана заключены в 50 месторождениях, среди которых выделяются три группы по запасам (%): коренные ильменит-магнетитовые, гематит-ильменитовые и рутил- или апатит-ильменитовые в габбро-анортозитах – 25,3; анатаз-перовскит-рутиловые в корах выветривания карбонатитовых комплексов – 19,6; древние и современные прибрежно-морские (реже речные) россыпи – 55,1 %.

Наиболее крупными запасами титановых руд (в %) располагают страны Америки – 30,5 (причём основная доля запасов сосредоточена в Бразилии – в анатазе 20), Африки – 23,0 (ЮАР – 15,9; Мадагаскар – 4,8) и Азии – 21,2 (Индия – 10,5; Китай – 8,9).

К крупнейшим коренным месторождениям ильменита относятся Теллнес в Норвегии и Аллард-Лейк в Канаде, а также месторождение титаномагнетитов Панчжихуа в Китае. Среди россыпных месторождений ильменита крупнейшими являются Ричардо-Бей в ЮАР, Энибба, Куулджарлу и ВИМ-150 в Австралии, Чаввара и Оском в Индии, Трейл Ридж в США.

Добыча титанового сырья в 1994 г. осуществлялась в 14 странах на 36 разрабатываемых месторождениях, из которых только три относились к коренным – Аллард-Лейк, Теллнес и Панчжихуа. Доля ильменита, добываемого из коренных месторождений, составила около 26,5 %. Остальная часть добываемого ильменита и практически всего рутила обеспечивалась разработкой россыпей.

В России запасы титана сосредоточены в 20 месторождениях, объединенных в двух основных генетических типах: россыпных – 53,1 % и магматогенных – 46,9 %.

Минерально-сырьевая база России в количественном отношении удовлетворяет требованиям промышленности, но нуждается в качественном улучшении.

В России после завершения эксплуатации Кусинского ильменит-магнетитового месторождения не разрабатывается ни одно собственно титановое месторождение. Небольшое количество титана извлекается попутно из лопаритовых концентратов, содержащих 38 – 44 % TiO₂. Кроме того, титан в составе титаномагнетита и сфена добывается при эксплуатации апатит-нефелиновых руд, но промышленностью практически не используется. Промышленность России в настоящий период находится в полной зависимости от импорта титановых концентратов, шлаков и пигментного диоксида титана из Украины, Австралии, Канады и других стран.

Производство титановых концентратов в 1994 г. составило около 4 млн т             (в пересчете на TiO₂). Из них приходилось на долю Австралии – 26,9 %, ЮАР – 21,0, Канады – 13,3, Норвегии – 8,0, Украины – 4 %.

В настоящее время известно 214 минералов титана, в которых он является одним из главных компонентов; из них 85 относятся к оксидным титановым минералам, около 100 составляют группу силикатов, два – нитрида, четыре – бората, один – карбонат, четыре – фосфата и три – арсената. Большинство минералов редко встречаются в природе и не содержат промышленных концентраций Ti.

К минералам титана, образующим месторождения, относятся ильменит, рутил, анатаз, лейкоксен, сфен, лопарит, перовскит и другие, но главное промышленное значение имеют первые четыре минерала. В ограниченных количествах титан извлекается попутно при комплексной переработке лопаритовых и сфеновых концентратов. В России в качестве промышленных или потенциально-промышленных рассматриваются следующие минералы.

Ильменит – метатитанат железа FeTiO₃. Наиболее распространённый минерал титана. Назван в честь места первого обнаружения – на Урале, в Ильменских горах. Цвет бурый или буро-чёрный, плотность 4,56–5,21. Часто тесно связан с магнетитом (Fe₃O₄) – в этом случае руды называют титаномагнетитами, связь с гематитом (Fe₂O₃) образует гематитоильмениты. Почти половину ильменита добывают из речных и прибрежно-морских россыпей.

Рутил – диоксид титана (аллотропические модификации – анатаз, брукит). Содержит примесь закисного железа. Рутил обладает алмазно-металлическим блеском, прозрачен, цвет – красно-коричневый, иногда – желтоватый, синеватый, фиолетовый, чёрный. Известны месторождения в Канаде, Бразилии, Австралии.

Анатаз – минерал подкласса простых оксидов, одна из полиморфных модификаций TiO₂ с примесями Fe, Zn, Nb. Зелёно-жёлтые, серые до чёрных кристаллы. Твёрдость около 6, плотность около 3,9 г/см³. Нагревание до 620 – 650 ºС приводит к переходу в рутил.

Перовскит – титанат кальция CaTiO₃, содержит 58,7 % TiO₂. Включает примеси ниобия, иттрия, марганца, магния. Цвет чёрный, красно-бурый, красный или жёлтый. Плотность 3,95 – 4,04.

Сфен – титаносиликат кальция CaO·TiO₂·SiO₂, содержит 38,8% TiO₂. Примеси – Fe, Mn. Цвет – жёлтый, плотность 3,4 – 3,56, твёрдость 6 – 6,5.

Перспективным минералом титана является титаномагнетит, представляющий собой прорастание магнетита ильменитом вследствие распада твёрдого раствора. Титаномагнетит содержит TiO₂ от нескольких до 30 % и, как правило, примесь V₂O₅. Низкотитанистые разновидности титаномагнетита (~4 % TiO₂) используются в качестве железорудного и ванадиевого сырья. При плавке титаномагнетита получают чугун и титансодержащий шлак (до 4 % ТiO₂), который обычно рассматривается как отход.

Наиболее перспективны высокотитанистые титаномагнетиты, содержащие более 16 % ТiO₂.

Россыпные редкометалльные месторождения в мировой сырьевой базе титана занимают ведущее положение по запасам (52,3 %), добыче (65–70 %) и промышленному значению (67–73 % производства диоксида титана в концентратах).

Большое промышленное значение в России, а также за рубежом, имеют морские (донные, пляжные, дельтовые) россыпи комплексного циркон-рутил-ильменитового состава. В отличие от современных, голоценовых[3] и плейстоценовых[4] прибрежно-морских россыпей Австралии Индии США, Бразилии, Шри-Ланка, ЮАР и других стран тропического пояса, в России промышленное значение имеют только древние (девонские, юрские, меловые, олигоцен-миоценовые) погребенные морские россыпи, пространственно не связанные с современными морскими бассейнами.

 

Таблица 23

Размеры месторождений по запасам Т iO ₂ , млн т

Месторождения	Размеры месторождений
	Весьма крупные	Крупные	Средние	Мелкие
Коренные	>50	10 – 50	5 – 10	<5,0
Экзогенные: россыпные;	>10	5 – 10	1 – 5	<1,0
коры выветривания	>15	5 – 15	1 – 5	<1,0

 

В настоящее время в мире разрабатываются только три коренных месторождения, но они обеспечивают около 30 % добычи TiO₂. Руды метаморфогенных титановых месторождений пока ни в России, ни за рубежом в промышленности не используются.

Одним из источников титановых минералов и циркона являются месторождения строительных, формовочных и стекольных песков. Из таких месторождений в центральных районах европейской части (в Рязанской, Нижегородской, Тамбовской, Белгородской областях) можно попутно получать значительные объёмы титановых минералов и циркона.

Определённые потенциальные возможности заключены в техногенных образованиях. Так, в качестве техногенных месторождений рассматриваются отходы (хвосты) обогащения горнодобывающих и металлургических предприятий. Накапливаются хвосты переработки апатит-нефелиновых руд, содержащие титаномагнетит и сфен. Источником титана могут являться также красные шламы – продукты переработки бокситов алюминиевых заводов.

 

Торий

Торий представляет собой довольно распространённый элемент земной коры.

Геохимические особенности тория обусловливаются специфическим положением в IV группе Периодической системы элементов. С одной стороны, он проявляет черты сходства с гафнием, цирконием, титаном, со многими редкоземельными элементами. В то же время торий входит в группу актиноидов. Характерное сходство и природная совместимость с ураном объясняются близостью их ионных радиусов.

Торий, подобно урану, редким землям, цирконию, является литофильным элементом.

Общее количество ториевых и торийсодержащих минералов приближается к 100. Однако к промышленно ценным относится всего несколько минералов: собственно ториевые минералы, некоторые урановые и редкометалльные минералы, в которых торий как попутный компонент содержится в количествах от 1 % и более. Свойства минералов приведены в табл. 24.

Таблица 24