Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Основы учения о полезных ископаемых

Тема: «РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ »

Выполнил: студент ФВиЗО

Курс:, группа

Специальности ГС

Заочной формы обучения

.

Проверил:

.

Оренбург 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение………………………………………………………………………3

2. ЧТО ТАКОЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ………….……………………………………..….4

3. ПРОМЫШЛЕННОЕ СЫРЬЕ………………………………………….………….…..…6

4. РЕДКОМЕТАЛЬНЫЕ ПЕГМАТИТЫ ……………………………...…………….………..8

5. РОССЫПИ……………………………………………………..………….……………….…10

6. КАРБОНАТИТЫ И КОРЫ ИХ ВЫВЕТРИВАНИЯ………………………………….....10

7. РЕДКОМЕТАЛЬНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ ГРАНИТЫ……………………………………13

8.Литература…………………………….………….………...………………...17

РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Введение

Редкие металлы были освоены промышлен­ ностью относительно недавно, но их ис­пользование активно развивается, особен­ но в сфере высоких технологий. Редкие ме­ таллы добываются как из месторождений их собственных минералов, так и попутно при разработке других видов полезных ис­ копаемых. По мере освоения сырьевых ре­ сурсов редких металлов типы их место­рождений менялись от редких и небольших объектов к крупным и гигантским место­ рождениям, каждое из которых способно обеспечить современный уровень добычи в течение сотен лет.

ЧТО ТАКОЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

Геологи к редким металлам обычно относят 36 химиче­ских элементов Периодической системы Д.И. Менде­леева (рис. 1), которые стали широко осваиваться про­мышленностью только в 50—60-х годах XX века, после второй мировой войны, хотя для некоторых из них об­ласти ограниченного применения были известны и раньше. Многие из этих металлов открыты только в конце XVIII века, а рений, галлий, гафний, германий, скандий обнаружены по предсказанию Д. И. Менделе­ева уже после создания им Периодической системы, причем гафний и рений открыты соответственно толь­ко в 1923 и 1925 годах.

В отличие от черных, цветных и благородных ме­таллов, известных человечеству на протяжении тыся­челетий, природные образования редких металлов, как минералы, так и месторождения, были изучены в ос­новном в XX веке и сначала представлялись экзотичес­кими, исключительными объектами. Отсюда возник термин "редкие металлы", хотя по современным пред­ставлениям это понятие весьма условно. Здесь больше дани исторической традиции, чем физико-химичес­ким критериям или малой распространенности в при­роде.

Большинство исследователей склоняются к тому, что эту группу объединяет в основном новизна практи­ческого применения в промышленных масштабах. Другие критерии — незначительное содержание редких металлов в земной коре, относительная редкость их промышленных минералов и месторождений, труд­ность выделения металлов в технологическом процес­се, объем использования — теряют свою универсаль­ность по мере изучения и освоения редких металлов, оставаясь справедливыми только для некоторых из них. Таким образом, термин "редкие металлы" посте­пенно утрачивает свое точное смысловое значение, но, как это часто бывает, продолжает широко использо­ваться специалистами.

Как правило, редкие металлы — это материалы вы­соких технологий. С использованием лития созданы миниатюрные и емкие перезаряжаемые батареи, нио­бия — сверхпроводниковые материалы с самой высокой критической плотностью тока, тантала — миниа­тюрные и емкие конденсаторы, бериллия, лития и скандия — легкие сплавы, ниобия, рения и гафния — жаропрочные и коррозионностойкие сплавы, неодима и самария — мощные и миниатюрные постоянные маг­ниты, галлия и индия — надежные полупроводниковые устройства, германия — высококачественные приборы ночного видения и волоконной оптики. Современные исследования открывают все новые свойства редких металлов и новые возможности их практического ис­пользования. Если в начале их освоения промышлен­ностью главной его сферой была оборонная техника, то сейчас многие редкие металлы применяют в производ­стве самых обычных потребительских товаров: упако­вочной тары (Ge, Li), сантехнических изделий и кафе­ля (Zr), батареек для электронных приборов (Та, Li, La, Cd). По темпам роста производства и потребления ред­кие обгоняют все другие промышленные металлы, а в некоторых быстро развивающихся областях спрос на них увеличивается на 15—25% в год. Степень промыш­ленного использования в большой мере зависит от сто­имости редких металлов, диапазон цен на которые очень велик — от близких к свинцу и цинку для кадмия до приближающихся к золоту и металлам платиновой группы для лютеция и скандия.

С0Р0С0ВСКИЙОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙЖУРНАЛ, ТОМ 7, №11, 2001

* Лантаноиды Ln.

Рис. 1. Химические элементы, которые называют редкими, в Периодической системе Д.И. Менделеева

Мировое потребление отдельных редких металлов также неодинаково — от сотен килограммов для руби­дия до сотен тысяч тонн для циркония .

По сути дела, каждый редкий элемент индивидуа­лен, но в то же время можно выделить группы элемен­тов, родственных по многим свойствам и обычно вместе встречающихся в природе: Nb и Та, Rb и Cs, Zr и Hf, Se и Те. Весьма близкими свойствами обладают и ред­коземельные металлы (лантаноиды и иттрий), которые всегда встречаются совместно, но в меняющихся соот­ношениях.

ПРОМЫШЛЕННОЕ СЫРЬЕ

Месторождения редких металлов можно разделить на две группы. На одних месторождениях редкие металлы (Li, Cs, Be, Nb, Та, TR, Zr, Sr) заключены в собственных минералах. Известно большое число редкометальных минералов, но промышленные скопления образуют лишь немногие из них (табл. 1). В одном и том же мес­торождении обычно встречаются вместе несколько редкометальных минералов. Исключением являются лишь стронциевые месторождения, которые не содер­жат других редкометальных минералов, кроме целести­на (см. табл. 1).

Вторая группа месторождений — это те, где редкие металлы извлекают попутно при переработке других полезных ископаемых. Сырьевыми источниками ред­ких металлов попутной добычи являются руды цветных металлов — меди, молибдена, свинца, цинка, олова, алюминия. Из таких руд извлекают Bi, Ge, Ga, In, Re, Se, Те, Т1, Cd. Германий извлекают также из бурых углей, гафний и рубидий — при переработке редкоме­тальных руд, ванадий — из руд железа и титана. Эти хи­мические элементы часто называют рассеянными. Их минералы чрезвычайно редки и не образуют промыш­ленных скоплений. Единственным исключением явля­ется висмут, для которого известны редкие собственные месторождения, которые пока не разрабатываются.

Многие месторождения редких металлов образуют­ся в результате глубинной магматической деятельности. Их преобразование в верхних частях земной коры под влиянием физического и химического выветривания (разрушения) нередко приводит к концентрированию редкометальных минералов, многие из которых весьма устойчивы. Для отдельных металлов (Sr, Zr, Li) извест­ны крупные осадочные месторождения, которые обра­зуются вблизи земной поверхности.

По мере освоения сырьевых ресурсов редких ме­таллов типы месторождений, играющие ведущую роль в структуре их запасов и добычи, изменялись. Минера­лы многих редких металлов (Li, Cs, Be, Nb, Та) были от­крыты в пегматитах или россыпях (Nb, Та, TR, Zr). На­чиная с середины 50-х годов XX века ведущая роль в добыче ниобия и РЗЭ переходит к карбонатитам и ко-рам их выветривания, а с 80-х годов большое место в структуре запасов тантала и РЗЭ иттриевой группы за­нимают щелочные граниты. Геологическое строение и характеристики этих главных типов редкометальных месторождений существенно различаются.

Таблица 1. Главные промышленные минералы редкометальных месторождений

РЕДКОМЕТАЛЬНЫЕ ПЕГМАТИТЫ

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

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

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

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

Рис. 3. Геологическая схема пегматитового место­рождения Коктогай, КНР, по Н.А. Солодову: 1 - вме­щающие породы; 2-10 - зоны пегматита (от края к центру): 2 - мелкозернистая кварц-микроклиновая, 3- мелкозернистого альбита с бериллом, 4- блоко­вого микроклина первой генерации, 5 - кварц-мус-ковитовая с бериллом и танталит-колумбитом, 6 -альбит-сподуменовая с танталитом и бериллом, 7 -кварц-сподуменовая с танталитом, 8 - мелкоплас­тинчатого альбита с танталатами, 9 - блокового квар­ца, 10 - блокового микроклина второйгенерации. Микроклин и альбит - натриевый и калиевый полевые шпаты, соответственно NaAISi₃ 0₈ и KAISi₃ 0₈ , муско­вит - светлая калиевая слюда KAI₂ (AISi₃ )O₁₀ (OH, F)₂ . Химический состав редкометальных минералов ука­зан в табл.1

РОССЫПИ

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

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

С0Р0С0ВСКИЙОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙЖУРНАЛ, ТОМ 7, №11, 2001

КАРБОНАТИТЫ И КОРЫ ИХ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Карбонатиты — продукты кристаллизации глубинных карбонатных расплавов (магм). Месторождения карбо-натитов и их кор выветривания (Nb), а также коренных карбонатитовых месторождений (La, Ce, Pr, Nd) были открыты и разведаны уже после второй мировой вой­ны, когда интерес к использованию редких металлов начал стремительно расти. По сравнению с пегматита­ми и россыпями это были богатые и очень крупные месторождения, два из которых были быстро освоены промышленностью и стали основными источниками ниобиевого и редкоземельного сырья в мире: Араша в Бразилии и Маунтин-Пасс в США. Запасы полезных компонентов в них измерялись уже несколькими мил­лионами тонн при содержании в первом из них 2,5% Nb₂ O_s (в коре выветривания), во втором 7—8% TR₂ 0₃ .

Щелочные интрузивные комплексы, включающие карбонатиты, залегают среди древних пород, возраст которых на сотни миллионов лет превышает возраст самих месторождений: мезозойский (120—90 млн лет) и палеозойский (550—250 млн лет) для пирохлоровых карбонатитов и позднепротерозойский (-1400 млн т) для бастнезитовых. К настоящему времени на земном шаре известно около 20 месторождений пирохлоровых карбонатитов и их кор выветривания. Из коренных карбонатитовых месторождений, в которых содержа­ние пирохлора в руде обычно не более 1—1,5%, разраба­тывается только месторождение Сент-Оноре в Канаде (0,9% Nb₂ O_s в руде). В корах выветривания карбонати­тов концентрация пирохлора увеличивается в несколько раз, поскольку породообразующие минералы кальция и магния при выветривании растворяются и выносятся. Вертикальная протяженность кор выветривания в тро­пических странах достигает сотен метров, а занимае­мая ими площадь — нескольких десятков квадратных километров. Только одно месторождение Араша в Бра­зилии способно обеспечивать современный уровень производства и потребления ниобия в течение 500 лет, а в мире известны еще более крупные и богатые место­рождения этого типа.

Уникальное по богатству руд Томторское место­рождение (рис. 4), недавно разведанное на севере Яку­тии, на отдельных участках содержит руды с 6—8% Nb₂ O_s и 12% TR₂ 0₃ . По запасам пирохлоровых руд дер­жит первенство месторождение Сейс-Лагос в Брази­лии, ресурсы Nb₂ O_s в котором определены в 80 млн т при его содержании 2,5%.

Среди бастнезитовых (редкоземельных) карбона­титов теперь также известны гигантские по запасам и очень богатые месторождения. В Китае в начале 80-х го­дов XX века освоено коренное карбонатитовое место­рождение Баюнь Обо, запасы в котором составляют 36 млн т TR₂ 0₃ при содержании 5—6 %, а прогнозные ресурсы — около 100 млн т. Самое богатое по содержа­нию полезного компонента в руде редкометальное ме­сторождение Маунт-Уэлд было в 80-х годах разведано в Австралии. Богатые участки коры выветривания кар­бонатитов содержат 23,6% TR₂ 0₃ в расчете на 1 млн т их запасов, а при содержании 16,7% TR₂ 0₃ запасы увели­чиваются до нескольких миллионов тонн. На место­рождении Маунт-Уэлд известны также зоны с высокой концентрацией тантала (0,034% Ta₂ O_s ) и ниобия (0,9% Nb₂ O_s ). В настоящее время месторождение подготав­ливается к освоению.

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

, Рис. 4. Геологическая схема массива Томтор по А.В. Лапину и А.В. Толстову, с упрощениями: 1 - пе­рекрывающие осадочные породы: песчаники, угли, конгломераты; 2-5- магматические породы: 2-сие­ниты, состоящие из щелочных полевых шпатов и не­фелина, 3 - карбонатизированные бесполевошпа­товые породы, состоящие в основном из пироксе-нов, 4 - поздние карбонатиты (доломит-анкерито-вые, кальцит-анкеритовые), 5 - ранние карбонатиты (доломит-кальцитовые и кальцитовые), 6 - рудонос­ные коры выветривания карбонатитов с пирохлором и монацитом; 7- разрывные нарушения. Нефелин (Na, K)AISi0₄ , пироксены (Ca, Na)(Mg, Fe, AI)Si₂ 0₆ , доломит CaMg(C0₃ )₂ , анкерит Ca(Fe, Mg) (C0₃ )₂ ; кальцитСаС0₃ . Химический состав редкоме-тальных минералов указан в табл. 1

РЕДКОМЕТАЛЬНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ ГРАНИТЫ

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

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

В плане они, как правило, имеют округлую или овальную форму с поперечником от 1 до 5—6 км, а на глубину оруденение распространяется на сотни мет­ров. Щелочногранитные месторождения характеризу­ются постоянным набором полезных компонентов и относительно устойчивым их содержанием: 0,02—0,04% Та₂ 0₅ , 0,3-0,4% Nb₂ O_s , 0,5-1,3% Zr0₂ и 0,2% TR₂ 0₃ . Тантал и ниобий в соотношении 1: 10 концентрируют­ся в пирохлоре и колумбите, цирконий — в цирконе (см. табл. 1). Редкоземельные минералы весьма разно­образны, но среди них важную роль играют минералы с большой долей иттрия и лантаноидов иттриевой груп­пы (ксенотим, гагаринит).

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

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

До настоящего времени редкометальные месторож­дения в щелочных гранитах не разрабатывались. Пла­ны их освоения активно обсуждались в конце 80-х го­дов, но были заморожены по тем или иным причинам. Наиболее реальный объект ближайшего освоения — ко­ренные руды месторождения Питинга в Бразилии, ко­торое, согласно результатам недавней разведки, явля­ется самым крупным месторождением тантала в мире с запасами 60 тыс. т Ta₂ O_s . Компания "Паранапане-ма" планировала вложить в освоение месторождения 140 млн долларов. Предусматривается производство 500 т Та₂ 0₅ , что соответствует трети его современного мирового потребления, а также 4000 т Nb₂ O_s . Реализа­ция этого проекта в значительной мере изменит струк­туру добычи танталового сырья, в которой на протяже­нии всей ее истории преобладающую роль играли пегматиты.

В добыче бериллиевого и литиевого сырья пегма­титы в значительной степени также уступили место другим типам крупных месторождений. Бериллий с 1969 года добывается в США из руд месторождения Спер Маунтин, связанного с вулканическими порода­ми. В настоящее время доля этого месторождения в ми­ровой добыче бериллия составляет около 70%. Добыча карбоната лития теперь на 60% осуществляется попут­но при разработке гигантских


29-04-2015, 01:03