1.2 Общие сведения о сырьевых источников редких металлов

При рассмотрении природных источников большинства промышленно выпускаемых металлов, химических элементов или их соединений важно иметь информацию о форме нахождения данных элементов в сырье. При этом ключевыми являются понятия «минерал» и «горная порода», которые детально рассматривает наука минералогия.

Минерал можно определить как химически и физически индивидуализированный продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии. Именно кристаллическая структура является его важнейшей характеристикой минерала. Она тесно связана с его химическим составом и несет информацию о происхождении минерала. Устанавливают параметры кристаллической структуры обычно с помощью рентгено-дифракционного (рентгенофазового) анализа.

Горная порода — это природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Специфическим видом горной породы для металлургии является руда, которая содержит минералы ценных компонентов (металлов) в доступном для извлечения виде.

Минералы редких металлов отличаются тем, что, как правило, они представляют собой несульфидные соединения (исключение молибден — часто встречается в виде дисульфида): оксиды, силикаты, алюмосиликаты, карбонаты, фосфаты. Реже встречаются сульфаты, гидроксиды, арсенаты, фосфаты, ванадаты, арсенаты.

Простыми и сложными оксидами являются минералы титана (ильменит, рутил, перовскит) тантала и ниобия (танталит, колумбит, пирохлор, микролит, лопарит), циркония (бадделеит); многие минералы редкоземельных элементов, тория и урана.

Силикатами представлены минералы урана и тория (торит, урано-торит, казолит, ортит), бериллиевые минералы (берилл, фенакит, бертрандит). Циркон и эвдиалит относятся к группе ортосиликатов.

К алюмосиликатам относятся литиевые минералы (сподумен, петалит), ряд минералов бериллия.

В большинстве случаях минералы породы принадлежат к тем же самым минералогическим группам, что значительно затрудняет выделение и концентрирование минералов редких металлов, а также технологию их переработки. В рудах редких металлов часто присутствуют минералы породы и цветных металлов, содержащих редкие металлы в рассеянном виде

К промышленным типам месторождений редких элементов относят: магматические, пегматитовые, пневматолито-гидротермальные, гидротермальные и экзогенные.

Магматические месторождения¹ занимают обычно большие площади. К ним относятся, например, лопаритовые руды, содержащие в минерале лопарите ниобий, тантал, титан, редкие земли, торий, в той же руде присутствует циркониевый минерал — эвдиалит. Пустая порода представлена уртитом, луявритом, малиньитом. Лопаритовые руды перерабатываются в промышленном масштабе, тогда как эвдиалит, заключающий в себе громадные запасы циркония, пока не используют в связи с технологическими трудностями извлечения из него циркония, а также с наличием легко и экономически выгодно обогащаемых россыпных месторождений, содержащих минерал циркон.

Пегматитовые месторождения² являются одним из важнейших источников редких металлов. Щелочные пегматиты, связанные с нефелиновыми сиенитовыми породами, широко распространены; они содержат разнообразные минералы редких металлов (пирохлор, гатчеттолит, ферсмит, эшинит, ильмено-рутил, циркон и др.). Щелочные пегматиты имеют невысокое содержание редких металлов и малый размер рудных тел, что снижает их практическую ценность.

Пегматиты гранитных магм в отличие от щелочных пегматитов представляют большой интерес. Они являются основным источником литиевых (сподумена, петалита, лепидолита, амблигонита), бериллиевых, цезиевых и танталовых минералов. Ранее пегматиты были основным промышленным типом месторождений редких металлов. Из них вручную извлекали крупные кристаллы берилла, сподумена, поллуцита, танталита. С развитием процессов обогащения стали использовать и мелковкрапленные руды как пегматитовых, так и других типов месторождений. Попутно из пегматитов часто добывают уран, торий, иттрий, скандий.

Пневматолито-гидротермальные месторождения³ в настоящее время начинают приобретать первостепенное практическое значение. Они обычно содержат берилл, пирохлор, циркон, редкоземельные минералы (фергусонит, эвксенит) в альбитах, грейзенах, флюорите, а также в кальцитовых карбонатах. Особенный интерес представляют альбитизированные граниты с высоким содержанием циннвальдита; они могут содержать 1,5–2% оксида лития и до 1% оксида рубидия.

К месторождениям этого типа относятся колумбитсодержащие граниты, пирохлоровые карбонатиты.

Гидротермальные месторождения⁴ связаны как с гранитными интрузивами, так и с различными щелочными породами. В гидротермальных гранитах концентрируются рассеянные элементы, с а гидротермальными щелочными породами связаны редкие земли, торий и в меньшей степени ниобий, цирконий, тантал.

В рудах гидротермальных месторождений встречаются кварцево-полевошпатовые жилы, содержащие берилл, вольфрамит, а также кварцево-полевошпатово-серицитовые жилы с сульфидами и редкоземельными минералами иттриевой группы. Известны также карбонатные и фторкарбонатные рудные тела с минералами редких земель (бастнезит, паризит, монацит, лопарит).

Гидротермальные сульфидные месторождения характерны содержанием в них рассеянных элементов, они являются основным сырьем для их извлечения. Кроме сульфидных гидротермальных месторождений, рассеянные элементы содержатся в других типах месторождений, и в частности в органических веществах— в углях, в осадочных урановых месторождениях, битуминозных сланцах, известняках, в пегматитовых месторождениях (скандий — в ортите, эвксените, бетафите и др., галлий и таллий — в сподумене, лепидолите, берилле) и др.

Рассеянные элементы чаще всего извлекают попутно при эксплуатации месторождений других полезных ископаемых, содержащих минералы-носители. Рассеянные элементы могут находиться в рудах в следующей форме:

– изоморфных примесей в рудных и нерудных минералах;

– мельчайших включений собственных минералов (германий, таллий, селен, теллур);

– сорбированных примесей.

В таблице 1.3. указаны минералы-носители (концентраторы) рассеянных элементов, которые содержатся преимущественно в следующих типах гидротермальных (и экзогенных) месторождений:

– в медно-колчеданных: германий, кадмий, селен, таллий, теллур;

– в полиметаллических, медьсодержащих и оловосодержащих: индий, кадмий, германий, лантан, селен, теллур, таллий;

– в медно-молибденовых и молибденовых: рений, селен, германий;

– в кобальтовых и уран-медно-кобальтовых: селен, теллур, возможно, германий;

Таблица 1.3 — Типичные минералы коллекторы рассеянных элементов.

Элемент	Минералы-носители
Sc	Вольфрамит, касситерит, циннвальдит, берилл
Re	Молибденит, борнит, халькопирит
In	Сфалерит железистый (марматит), станнин, сульфостаннаты олова, касситерит, кобальтин, колломорфный сфалерит
Cd	Сфалерит (клейофан, пшибрамит и коломорфный сфалерит)
Ga	Сфалерит, халькопирит, энаргит, германит
Ge	Борнит, сфалерит, халькопирит, энаргит, тетраэдрит, теннантит, сульванит
Tl	Галенит, сульфосоли свинца (геокронит, менегенит), колло­морфный пирит, марказит, колломорфный молибденит
Se	Халькопирит, пирит, пирротин, галенит, арсенопирит, блеклые руды, молибденит, киноварь
Te	Самородное золото, висмутин, галенит, халькопирит, пирит

– в уран-молибденовых: рений, селен, таллий;

– в золоторудных: теллур, селен;

– в угольных и осадочных урановых месторождениях экзогенного типа: германий, селен, таллий, скандий, редкие земли.

Экзогенные месторождения⁵ отличаются большими размерами и доступны для эксплуатации. Наибольший интерес представляют россыпные месторождения, среди них морские россыпи являются основными источниками добычи титана, циркония и монацита. В прибрежной зоне морей и океанов эти россыпи имеют протяженность десятков, сотен, а иногда тысяч километров, например в Австралии, Индии, Бразилии, США, и др. Россыпи образуются также на берегах озер, в устьях рек. В зависимости от условий образования россыпи называют элювиальными, делювиальными, аллювиальными и др. Они являются важными источниками не только титана и циркония, но и тантала, ниобия, редких земель, содержащихся в колумбите, танталите, ксенотиме, эвксените и др.

К экзогенным месторождениям относятся также руды, связанные с корой выветривания, подвергшиеся значительному изменению и разрушению. Они часто содержат пирохлор, циркон в пегматитовых и карбонатитовых породах и образуют месторождения крупных размеров.

Значительный интерес представляют соляные отложения или рапа высыхающих озер, в которых содержатся соли лития, рубидия, цезия. Классическим примером является высохшее озеро Сирлз в Калифорнии (США).

Осадочные урановые месторождения (морского, озерного, речного и болотного происхождений) характеризуются связью урана с органическими веществами. Кроме урана в них содержатся ванадий, молибден, селен, иногда таллий германий и редкие земли, причем селен имеет собственные минералы, а германий и редкие земли тесно связаны с органическими веществами.

Фосфатные осадочные месторождения содержат фосфориты, редкие земли (в апатите), скандий, цирконий и уран в сорбированном виде или в виде тончайших включений оксидов урана.

В угольных месторождениях часто концентрируются уран, германий, скандий, редкие земли иттриевой группы, бериллий. Наибольший интерес представляют угли как источник получения германия. Германий связан в основном с органической массой угля (преимущественно с гуминовыми кислотами).