Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

Вземной коре установлено около 70 минералов сурьмы, однако главным промышленным минералом является анти-

монит (стибнит, сурьмяный блеск) Sb2S3 (Sb – 71,69 %). Кроме того, в значительных количествах встречаются сульфоан-

тимониды: тетраэдрит (блеклая руда) Cu3SbS3 (Sb – до 29 %), бурнотит CuPbSbS3 (Sb – 24,65 %), буланжерит Pb6Sb4S11 (Sb – 25,9 %) и т.д. В большинстве месторождений преобладает антимонит. В зоне окисления сурьмяные руды легко окисляются

собразованием оксидов и гидроксидов (сервантин Sb2О4, гидроромеит Ca2Sb2O6×nH2O и др.).

По минеральному составу выделяют следующие промышленные типы руд: собственно сурьмяные, ртутно-сурьмяные (иногда с мышьяком и флюоритом), золото-сурьмяные, сурьмусодержащие полиметаллические.

Нерудные минералы в сурьмяных рудах представлены кварцем, карбонатами, флюоритом, баритом, гидрослюдами, хлоритами.

Висмут – элемент V группы периодической системы, по-

рядковый номер – 83, атомная масса – 208,9, плотность – 9,8 г/см3, температура плавления – 271,3 °С, цвет светлосерый. Этот металл диамагнитен и является одним из самых плохих проводников тепла. Растворяется в азотной и нагретой концентрированной серной кислотах, тогда как соляная кислота на него не действует.

Висмут применяется главным образом для получения легкоплавких сплавов, а также в термоэлементах, электрической аппаратуре, приборах, медицине, химии, стекольной и фарфоровой промышленности и т.д. Является очень вредной примесью в меди и золоте. Примесь его даже в тысячных долях процента делает эти металлы хрупкими и плохо обрабатываемыми.

Вприродных условиях висмут встречается в самородном виде, в соединениях с серой, селеном, теллуром, входит в состав арсенидов и антимонидов никеля, кобальта и железа; для него характерно образование сульфовисмутитов свинца, серебра и меди; широко распространены карбонаты висмута, гидроксиды, ванадаты и другие соединения. В настоящее время известно около 50 минералов висмута, но промышленное значение имеют лишь некоторые из них: висмут самородный

51

Bi, висмутин (бисмутин, висмутовый блеск) Bi2S3, тетрадимит (теллуристый висмут) Bi2Te2S, бисмит (висмутовая охра) Вi2O3, бисмутит Bi2[CO3] [ОН]4, а также висмутсодержащий галенит.

Висмут характерен для минеральных образований различных генетических типов – от высокотемпературных пнев- матолито-пегматитового и пегматитового до средне- и низкотемпературных гидротермальных. В высокотемпературных месторождениях, обычно связанных с гранитами, висмут тесно ассоциирует с вольфрамом, оловом, молибденом, мышьяком, а в большинстве других месторождений – с медью, кобальтом, никелем, серебром, сурьмой, цинком и свинцом.

Висмут добывается попутно из месторождений олова, меди, свинца, цинка, мышьяка и других металлов: наиболее важным источником попутного получения висмута являются свинцово-цинковые и медноколчеданные месторождения. Собственно висмутовые месторождения встречаются крайне редко и практического значения, как правило, не имеют.

Магний – элемент II группы периодической системы, порядковый номер – 12, атомная масса – 24,3, плотность – 1,739 г/см3, температура плавления – 651 °С, цвет серебристобелый.

Это широко распространенный в земной коре металл. В металлическом виде магний в природе не встречается, известны самые различные природные соединения магния, но промышленное значение имеют следующие минералы: магнезит MgCO3 (Mg – 28,8 %), доломит CaMg(СО3)2 (Mg – 13,2 %), карналлит KCl×MgCl2×6H2O (Mg – 8,8 %), бишофит MgCl2×6Н2О (Mg – 12 %), брусит Mg(ОН)2 (Mg – 41,6 %).

Магний используется промышленностью в чистом виде и в виде сплавов. Наибольшее применение имеют сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем; иногда в сплавы вводятся некоторые редкие металлы и редкоземельные элементы. Магниевые сплавы обладают малой плотностью, высокими механическими свойствами, а некоторые из них – жаростойкостью.

Промышленным сырьем для получения магния являются породы, состоящие в основном из магнийсодержащих минералов (магнезиты, доломиты, карналлитовые и бруситсодержа-

52

щие породы), а также морские и озерные воды, содержащие в растворе хлористые и сернокислые соли магния. Важным сырьем для магниевой промышленности являются ископаемые калийно-магнезиальные соли, при переработке которых на удобрение получается большое количество отходов в виде растворов магниевых солей.

В мировой практике 45 % магния добывают из доломита, 36,5 % – из морской воды и рассолов, 15 % – из магнезита и 3,5 % – из карналлита.

4.3.Редкие металлы

Кредким металлам относится около одной трети химических элементов: рубидий, цезий, бериллий, стронций, скандий, иттрий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур, рений и группа редкоземельных элементов – лантаноиды. Значительная часть из них образует собственно минералы и промышленные месторождения, другие встречаются преимущественно (либо даже исключительно) только в рассеянном состоянии или в виде незначительной примеси в минералах, из которых они извлекаются попутно при переработке основного сырья.

В настоящее время редкие металлы находят все большее применение в различных отраслях промышленности. В промышленное использование вовлекаются совершенно новые типы месторождений. Редкие металлы встречаются в месторождениях, относящихся к самым различным генетическим типам, начиная с высокотемпературных пегматитовых до рапы соленых озер. Помимо эндогенных часто встречаются также экзогенные месторождения: коры выветривания и россыпные, имеющие промышленное значение.

Литий – элемент I группы периодической системы, поряд-

ковый номер – 3, атомная масса – 6,94, плотность – 0,534 г/см3, температура плавления – 180,5 °С, цвет серебристо-белый (на воздухе быстро окисляется и тускнеет).

Литий хорошо растворяется в разбавленной серной кислоте

иочень медленно – в концентрированной, в соляной кислоте растворяется бурно, а в концентрированной азотной плавится

ивоспламеняется. С водой реагирует, но не загорается и не вы-

53

зывает взрывов. Хранить литий нужно закупоренным в банках под слоем парафина или керосина.

Литий широко применяется в народном хозяйстве: в стекольной и керамической промышленности – для производства опаловых, легкоплавких и теплоустойчивых боросиликатных

идругих стекол, стекол для катодно-лучевых трубок и телевизионных кинескопов, специальных стекол с электроизоляционными свойствами, светочувствительных стекол, фарфора, фаянса, жаростойкой и термостойкой керамики, огнеупорных и диэлектрических материалов, глазурей и эмалей; в металлургии – для придания меди и медистым сплавам высокой электропроводности, для получения сверхлегких, но прочных сплавов и т.д.; в медицинской промышленности – для изготовления ряда медикаментов. В последнее время соединения лития нашли широкое применение в атомной промышленности,

впроизводстве консистентных смазок для высотной авиации

иреактивной техники, в производстве пластмасс и синтетического каучука, в системах кондиционирования воздуха и т.д.

Литий входит в состав многих интрузивных, эффузивных, метаморфических и осадочных горных пород, содержится в водах морей, озер, озерных илах, минеральных источниках, подземных водах. Содержание лития в магматических породах составляет, %: в габбро 0,0003, в базальтах 0,003, в гранитах 0,03.

Собственно литиевых минералов насчитывается около 30, а

практически используются только пять: сподумен LiAl[Si2O6], лепидолит KLi1,5Al1,5[AlSi3O10][F, ОН]2, петалит (Li, Na)AlSi3O10, литиевый мусковит, циннвальдит KLiAlFe[AlSi3O10](F, OH)2.

Существуют два промышленных типа месторождений лития:

1)жилы и неправильные тела сподуменовых и сподуменлепидолитовых пегматитов в гранитах и в экзоконтактах, изредка в метаморфических породах;

2)неправильные тела циннвальдитовых грейзенов. Попутно извлекается из циннвальдитовых грейзенов вокруг оловорудных, вольфрамовых и берилловых рудных тел, из рапы содовых и галитовых озер.

Бериллий – элемент II группы периодической системы, порядковый номер – 4, атомная масса – 9,012, плотность –

54

1,848 г/см3, температура плавления – 1284 °С, цвет светло-се- рый. Обладает высокой токсичностью.

Это легкий металл, внешне сходный с алюминием, но обладающий более низкой плотностью. Металлический бериллий

ввиде сплавов применяется в атомной технике как источник и замедлитель нейтронов и в качестве конструкционного материала для изготовления окон рентгеновских трубок, для поверхностной цементации (бериллизации) изделий с целью придания им высокой поверхностной твердости. Бериллиевые сплавы с медью, алюминием, магнием, никелем, железом, хромом используются в самолето- и ракетостроении, при изготовлении различного рода пружин для особо ответственных частей машин, приборов, оружия, подверженных длительному интенсивному напряжению, подшипников и втулок

вчастях машин, подверженных усиленному напряжению и трению; бойков в автоматическо-скорострельном оружии; частей приборов, которые должны обладать прочностью стали и не иметь магнитных свойств; при изготовлении режущих инструментов для работы в условиях высокой температуры; для изготовления не искрящихся при ударе инструментов в атомной и металлургической промышленности; люминофоров, светящихся составов.

Главнейшие промышленные минералы бериллия – это

берилл Be3Al2[Si6O8] (Be – 0–10–12 %), фенакит Be2[SiO4] (BeО – 40–44 %), кроме того, могут иметь значение бертран-

дит Be4[Si2O7](OH)2 (BeО – 40–42 %), гельвин Mn4[BeSiO4]3S (BeО – 12–13 %), эвклаз Be2Al2 [Si2O8](OH)2 (BeО – 16–17 %) и хризоберилл BeAl2O4 (ВеО – 19,8 %).

Внастоящее время выделяют следующие промышленные типы месторождений бериллиевых руд: пегматитовый, полевошпатовых метасоматитов, грейзеновый, плутоногенно-ги- дротермальный, вулканогенно-гидротермальный.

Содержание бериллия в рудах (в пересчете на BeO) не отличается большими значениями. Так, в богатых рудах оно начинается первыми процентами в рядовых рудах варьирует от 0,5 до 1,0 %, а в бедных колеблется от 0,1 до 0,5 % (см. табл. 2).

Ниобий и тантал – элементы V группы периодической системы, порядковый номер ниобия – 41, тантала – 73, атомная масса – соответственно 92,9 и 180,9, плотность – 8,57 и 16,6 г/см3,

55

температура плавления – 2470 и 3014 °С, цвет серо-стальной и светло-серый. Ниобий и тантал близки по химическим свойствам и всегда встречаются совместно.

Ниобий – ковкий, чрезвычайно пластичный при нормальной температуре металл, обладающий исключительной коррозийной стойкостью, самой высокой среди металлов критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Тантал обладает уникальными физическими и химическими свойствами – высокой тугоплавкостью, большой твердостью, исключительной кислотоупорностью, способностью вытягиваться в тонкие нити, поглощать газы при нагревании. Тантал – единственный из металлов, который легко вживается в тело человека.

Благодаря этим свойствам ниобий и тантал широко применяются в промышленности.

Среднее содержание ниобия в земной коре составляет 2–10–3 %, тантала – 2,5×10–4 %, а концентрация редкоземельных элементов варьирует от 3,7×10–3 для неодима (Nd) до 2,7×10–5 для тулия (Тm).

В природе известно более 50 минералов, содержащих Nb и Та, не считая многочисленных разновидностей, и около сотни минералов, содержащих РЗЭ. Только 20 из них имеют промышленное значение. Важнейшие промышленные минералы приведены в табл. 6.

Таблица 6

Главные промышленные минералы тантал-ниобиевых и редкоземельных руд

56

Окончание табл. 6

Группа редкоземельных элементов (РЗЭ), или лантаноидов, включает 15 весьма сходных по свойствам металлов: лантан La, церий Се, празеодим Рr, неодим Nd, прометий Рm, самарий Sm, европий Eu, гадолиний Gd, тербий Тb, диспрозий Dy, гольмий Hо, эрбий Еr, тулий Тm, иттербий Yb, лютеций Lu.

Месторождения ниобия, тантала и редкоземельных металлов в общем цикле геологического развития формируются на средней и поздней стадиях геосинклинального этапа преимущественно в связи с гранитным магматизмом, а также при щелочном магматизме и метасоматизме стадии активации древних платформ и консолидированных областей завершенной складчатости.

Цирконий и гафний – элементы IV группы периодической системы, порядковый номер циркония – 40, гафния – 72, атомная масса – соответственно 91,22 и 178,4, плотность – 6,45 и 13,09 г/см3, температура плавления – 1852 и 2222 °С, цвет серебристо-белый. В природе встречаются совместно.

Цирконий применяется для производства быстрорежущих инструментов, в виде легирующей добавки к сталям, для получения легких жаростойких магний-циркониевых сплавов, в вакуумной технике – при изготовлении электронных ламп,

57

жаростойких эмалиевых покрытий, деталей газотурбинных и реактивных двигателей и т.д.

Гафний используется главным образом в качестве добавки при производстве вольфрамовых нитей накала, а также в атомных реакторах в качестве поглотителя нейтронов.

Известно свыше 30 минералов, в состав которых входит цирконий, но практически только циркон ZrSiO2 и бадделеит ZrO2 можно считать промышленными минералами. Задача при поиске гафния сводится к обнаружению такого циркона, в котором отношение гафния к цирконию окажется промышленным. Известно, что содержание гафния в цирконах может достигать 4 %. В Норвегии обнаружен альбит с содержанием гафния до 16 %.

Выделяются два основных типа промышленных месторождений циркония: коренные (пневматолито-гидротермальные цирконовые альбититы, мариуполиты и малакон-колумби- товые метасоматические граниты) и россыпные (морские и аллювиальные цирконовые, элювиальные и аллювиальные бадделеитовые). Наиболее важным типом промышленных месторождений являются прибрежно-морские россыпи, как современные, так и древние. Главнейшие рудные минералы: циркон (циртолит, малакон), бадделеит.

Рубидий и цезий – элементы I группы периодической системы, порядковые номера – соответственно 33 и 55, атомные массы – 85,48 и 132,91, плотности – 1,525 и 1,9 г/см3, температура плавления – 38,9 и 28,5 °С, цвет серовато-белый и золо- тисто-желтый.

Оба эти элемента принадлежат к так называемым щелочным металлам и по своим свойствам сходны с калием. Поэтому они преимущественно сосредоточены, хотя и в очень небольших количествах, в калиевых минералах.

Рубидий и цезий отличаются очень высокой химической активностью и хорошими фотоэлектрическими свойствами. Применяются они в основном в фотоэлектрических элементах, а также в качестве катализатора в химических производствах.

Цезий в заметных количествах входит в состав восьми минералов, но образует только два самостоятельных минерала: родицит KNaLi4Al4Be3B10O27 и поллуцит Сs[AlSi2O6]×nH2O

58

(n < 1). Поллуцит встречается в пегматитах совместно с петалитом, лепидолитом, фосфатами лития и т.д. Рубидий проявляется только в рассеянном состоянии обычно в лепидолите, сильвине и карналлите.

Промышленными по рубидию и цезию являются два типа месторождений:

1)литиевые пегматиты с поллуцитом;

2)циннвальдитовые грейзены, обогащенные рубидием. Рубидий попутно извлекается из сподуменовых и споду-

мен-лепидолитовых пегматитов, циннвальдитовых грейзенов, месторождений калийных солей; а цезий – из литиевых пегматитов и калийных солей.

4.4.Благородные металлы

Кблагородным металлам принято относить самородное золото, серебро, платину и металлы платиновой группы – осмий, иридий, палладий, родий и рутений.

Золото – элемент I группы периодической системы, по-

рядковый номер – 79, атомная масса – 196,96, плотность – 19,32 г/см3, температура плавления – 1064,43 °С, цвет желтый.

Это один из наиболее редко встречающихся элементов земной коры, его кларк составляет 4,3×10–7 % (по А.П. Виноградову).

Оно не соединяется с кислородом, водородом, азотом и углеродом даже при самых высоких температурах. Не растворяется в щелочах и кислотах за исключением царской водки и щелочных цианидов. Растворителями золота могут являться некоторые органические вещества. Обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, уникальной ковкостью

итягучестью. Образует сплавы со многими металлами: платиной, палладием, серебром, медью, висмутом, хромом, кобальтом, индием, оловом, алюминием, цинком, кадмием, цирконием и т.д.; с ртутью образует амальгаму.

Золото является главным образом валютным металлом; большая его часть сохраняется в виде так называемого золотого запаса, используемого при международных расчетах.

В настоящее время возрастает применение его в промышленности. Золото и его сплавы используются в электронной

59

технике, строительстве реактивных двигателей, ракет, ядерных реакторов, в деталях сверхзвуковых самолетов, разнообразного промышленного оборудования. Золото является весьма эффективным тепло- и светоотражателем и используется в качестве покрытия поверхности ракет и других аппаратов, предназначенных для запуска в космическое пространство. Золото находит широкое применение в ювелирной промышленности и в медицине.

Самородное золото является главнейшей формой его нахождения и в подавляющем большинстве случаев содержит примеси серебра. При содержании серебра около 50 % минерал называется электрум. К числу разновидностей золота относятся медистое золото (купроаурид) с содержанием меди до 20 %, палладистое золото (порпецит) с содержанием палладия от 5 до 11 % и серебра до 4 %; висмутистое золото (бисмутоаурит) с содержанием висмута до 4 %; встречается также кюстелит, содержащий от 10 до 25 % золота и до 90-75 % серебра.

Известны также теллуриды золота, такие как калаверит (AuTe2). Очень редко встречается антимонид золота – ауростибит (AuSb2). Все они не образуют промышленно значимых скоплений.

Число массовых частей химически чистого золота в 1000 частях самородного золота или сплава называется его пробой.

Самородное золото большей частью встречается в сростках с различными минералами, часто с кварцем. Величина отдельных зерен золота колеблется от пылевидных частиц до крупных самородков. Наиболее обычные размеры – от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Кристаллизуется золото в кубической сингонии, но хорошо образованные кристаллы встречаются редко. Преобладают неправильные зерна с неровными краями, иногда имеющие вытянутую пластинообразную форму.

По условиям образования собственно золоторудные месторождения делятся на эндогенные и экзогенные.

Эндогенные месторождения золота широко распространены и являются основным источником его добычи. По минеральному составу руд эндогенные месторождения объединяются в следующие основные формации:

yy золотокварцевая и золото-малосульфидно-кварцевая формация. Золото в рудах, в основном свободное в кварце, ча-

60