Редкие металлы распространены повсеместно, однако в отличие от распространенных элементов они не образуют собственных минералов в горных породах. Конечно, они входят в состав некоторых породообразующих минералов, но лишь в форме примесей, например замещая в силикатах часть атомов распространенных элементов. Так, атомы никеля могут замещать атомы магния в оливине Mg2SiO4, хотя это происходит лишь с несколькими сотнями атомов магния из миллиона. То же самое наблюдается в полевых шпатах, где свинец может замещать калий. Это вызывает напряжения в кристаллической структуре минерала, поэтому такие замещения ограниченны.
Они контролируются температурой, давлением и различными химическими параметрами горных пород конкретного состава. В большинстве случаев эти пределы не превышаются, и поэтому редкие металлы остаются в решетках соответствующих минералов. Для их извлечения необходимо разрушение кристаллических решеток минералов-хозяев, а это сложный процесс, поскольку большая часть силикатных минералов тугоплавка и с трудом поддается плавлению. Когда достигается предел вхождения примесей, примесный элемент образует свой собственный минерал, например галенит PbS в случае со свинцом. Физические свойства галенита существенно отличаются от свойств ассоциирующихся с ним силикатов, и простое дробление с последующим обогащением (флотация) позволяет получить исключительно богатый свинцом галенитовый концентрат, который можно подвергать дальнейшей обработке. Присутствие редких элементов в виде самостоятельных минералов, физические свойства которых резко отличаются от таковых ассоциирующихся с ними минералов, всегда было важным фактором в использовании металлов и их руд. Примечательно, например, что редкий металл галлий (Ga) при средней концентрации в земной коре, почти вдвое большей, чем у свинца, практически всегда является элементом-примесью в алюминийсодержащих силикатах. Может быть, поэтому галлий не имеет широкого применения, что, однако, могло бы иметь место, если бы нашелся подходящий для его извлечения минерал.
Графическое представление различий между редкими металлами, входящими в состав силикатов и образующими собственные минералы, показано на рисунке. Нижняя кривая на диаграмме показывает количество энергии, необходимое для извлечения 1 кг меди из силикатной породы, содержащей халькопирит CuFeS2.
Энергия, необходимая для извлечения металлической меди из сульфидных руд и горных пород, в которых силикатные минералы содержат медь в виде изоморфной примеси. Представленные две линии параллельны, но не составляют единого целого. Наблюдаемый разрыв — это так называемый минералогический барьер, который разделяет руды и горные породы. Такая зависимость характерна для всех редких металлов.
Количество необходимой энергии увеличивается с уменьшением содержания меди (а значит, и халькопирита); это происходит потому, что чем ниже содержание, тем больше горной породы необходимо добыть, раздробить и обогатить для получения нужного количества концентрата, а чем больше перерабатывал ось породы, тем больше в итоге используется энергии. Но расходы энергии на переплавлен из концентрата всегда одни и те же независимо от количества руды. Верхняя кривая демонстрирует количество энергии, необходимой для переработки силикатной породы, в которой медь присутствует в виде примеси в других минералах. Пример был просчитан для слюды (биотита) при условии содержания ее в породе 30 %. Обе линии параллельны друг другу, поскольку процессы добычи, дробления и обогащения для производства биотитового и халькопиритового концентрата приблизительно одинаковы. Разница между линиями обусловлена различием в энергии, необходимой для переплавления. Заметим, что сульфидный минерал образуется при концентрации меди в породе более 0,1 %; если это содержание ниже, медь существует только в виде примеси в других минералах. Точную концентрацию привести не представляется возможным, так как для различных типов пород она различна. Аналогично верхняя кривая доходит лишь до содержания Cu не более 0,05 %, поскольку в обычных породах не отмечаются высокие содержания меди. Разрыв между крайними точками рассмотренных кривых называют минералогическим барьером. Руды с содержаниями ниже 0,1 % не только содержат меньше меди, но она вся входит в состав силикатов в виде примесей, вследствие чего такую руду сложнее перерабатывать. Поэтому жизненно важен вопрос: сколько меди в земной коре содержится в виде примеси в силикатах, а сколько в рудных минералах?
K сожалению, большая часть редких металлов в земной коре — более 99,9%, а возможно, и не менее 99,99 % — входит в состав породообразующих минералов в виде примесей. Десятая доля процента (а может быть, и меньше) приходится на рудные минералы, которые можно обогащать. К счастью, рудные минералы имеют тенденцию накапливаться в небольшом объеме горных пород — в рудных месторождениях; это позволяет надеяться, что в конце концов большинство рудных минералов, заключенных в земной коре, будут нами найдены и добыты.
Замещение одних атомов другими может иметь место во всех типах минералов, а не только в силикатах. В некоторых условиях подобное замещение даже полезно. Такие элементы, как серебро и кадмий, которые из-за низкой распространенности редко образуют самостоятельные минералы и еще реже месторождения, получают в виде побочного продукта из рудных минералов меди, свинца и цинка, в которых они замещают эти элементы. Серебро, например, обычно замещает медь в тетраэдрите Cu12Sb4Si3 и халькозине CU2S, а-свинец — в галените PbS. Получение серебра в виде побочного продукта настолько широко вошло в практику, что в 1982 г. из 25 крупнейших продуцентов серебра в США 15 производили свинец, медь и цинк и лишь 10 — только серебро. Различие в переработке силикатов и сульфидов заключается в том, что сульфиды плавятся легче.
Рудные месторождения редких металлов
Рудные месторождения — это минеральные месторождения, из которых можно с выгодой извлекать один или более полезных компонентов. Нами уже рассматривались две существенно важные особенности рудных месторождений: 1) они представляют собой локальные объемы, в которых содержания некоторых элементов во много раз превышают их средние содержания в земной коре; 2) они представляют собой скопления специфических рудных минералов. Нефтяные залежи, угольные пласты и железные шляпы слоистых железорудных формаций являются примерами руд, но с редкими металлами связаны специфические проблемы, заслуживающие особого обсуждения.
Месторождения руд редких металлов могут иметь четкие границы, такие, как контакты рудных жил, или нечеткие, постепенные, как это наблюдается на некоторых медных месторождениях, где процентные содержания металла изменяются от среднего для данной руды до среднего для вмещающих руду пород на расстоянии в несколько десятков и не более чем сотен метров. Многие месторождения напоминают пирог с изюмом. По размерам они обычно меньше месторождений распространенных металлов. Например, крупные медные месторождения имеют запасы, равные 106—107 т меди, в крупнейшем из известных медных месторождений содержится не более 5∙107 т Cu. Для сравнения укажем, что запасы многих железорудных месторождений превышают 109 т металла. Максимальные размеры месторождений редких металлов и число крупных месторождений каждого металла, по-видимому, связаны с их распространенностью в земной коре.
а — запасы крупнейшего месторождения любого из редких металов примерно пропорциональны содержанию данного металла в земной коре; б — чем ниже отношение содержания металла в руде к его содержанию в безрудной породе и чем выше его распространенность в земной коре, тем более вероятно образование крупных месторождений этого металла. Число месторождений с запасами редких металлов в миллионы тонн и больше пропорционально содержанию этих металлов в земной коре. Отметим, что на обоих графиках масштаб логарифмический.
Причины такой взаимосвязи до сих пор не объяснены, но они определяют степень концентрации, необходимую для того, чтобы месторождение редких металлов стало пригодным для разработки. Чем меньше распространен металл в земной коре, тем больше должна быть степень концентрации и тем менее вероятно одновременное возникновение в определенной зоне условий, создающих эту концентрацию.
Открытие месторождений редких металлов
Когда на новых площадях ведутся исследования и поисковые работы, динамика показателей следует модели, изображенной на рисунке. На начальной стадии поисков число открываемых месторождений и, следовательно, число работающих рудников (кривая А) стремительно растут.
Стадии развития эксплуатации месторождений, производства и импорта металла в индустриальных странах. Кривая А, представляющая собой количество действующих рудников, быстро взмывает вверх с началом опоискования новых площадей, но постепенно теряет высоту, когда разработка месторождений опережает по темпам открытие новых перспективных участков. Кривая Б, характеризующая производство металла, также сначала поднимается, а затем падает в соответствии с разработкой и истощением запасов месторождения. Кривая В, отражающая импорт металла, показывает, что любое государство с истощением запасов и следующим за ним снижением производства вынуждено соответственно увеличивать импорт. Вертикальными (заштрихованными) полосами показано современное состояние трех индустриальных стран; в историческом развитии каждая из них пройдет свой путь, двигаясь по оси времени слева направо. Например, Великобритания находилась в положении США в конце XIX в., в это же время США занимали позицию, соответствующую современному положению СССР.
Однако, по мере того как отрабатываются более мелкие рудники, темпы открытия новых месторождений лишь ненамного опережают темпы истощения запасов и закрытия рудников. Постепенно число работающих рудников начинает сокращаться и, в конце концов, должно стать равным нулю (хотя нет ни одной страны, которая приблизилась бы к этой точке). В период активной деятельности добывающих предприятий производство растет (кривая Б), хотя и с запаздыванием по отношению к линии числа работающих рудников, так как месторождение должно быть открыто прежде, чем оно начнет разрабатываться. Кривая производства металла падает до нуля, когда закрывается последний рудник. В индустриальных странах, где Металл производится для внутреннего потребления, повышающийся спрос неизбежно приводит к осложнениям в связи с невозможностью его удовлетворения продуктами собственного производства. Поэтому увеличивается импорт (кривая В), и со временем во все возрастающем количестве металл ввозится из-за границы.
Кривые на рисунке подтверждаются историческими фактами. Для сравнения здесь нанесены данные по трем развитым индустриальным странам. Когда европейцы начали широкомасштабные поиски в обеих Америках, Африке, Азии и Австралии, они обнаружили большое количество рудных месторождений. Задолго до того успех сопутствовал таким же поискам и в самой Европе, но, как было отмечено Р. Дж. Форбсом, рудники, ныне работающие в районах Европы, некогда входивших в состав Римской империи, расположены в зонах минерализации, известных римлянам и разрабатывавшихся ими. Исключение составляют месторождения алюминия и хромитов, с которыми римляне не знали, что делать. Несмотря на пристальное внимание и энергичные поиски, ни одного нового рудного района не было открыто за последние 2000 лет. История наводит на мысль, что этому пока единственному образцу развития последуют все страны. Подобное уже характерно для США, где в густонаселенных и хорошо изученных восточных штатах новые открытия крайне редки, а в западных штатах темпы открытия заметно пошли на убыль. То же самое наблюдается в странах, которые ориентируются на импорт.
Поскольку слабо опоискованных участков на земле становится все меньше, необходимо активно развивать чувствительные методы поисков руд, перекрытых наносами и другими горными породами, а также разрабатывать критерии прогнозирования участков поисков в тех местах, где вероятность обнаружения месторождений наибольшая. Многие месторождения имеют тенденцию формироваться на поверхности или в пределах нескольких тысяч метров от нее. Поэтому научные наблюдения позволяют предположить, что число месторождений, ожидающих своего открытия, будет не увеличиваться с глубиной, а, возможно, даже снижаться. Едва ли это утешительное заключение. Мы нуждаемся в более точных и надежных методах поисков, особенно в случае глубокозалегающих месторождений. Нам необходимо гораздо больше работ для определения потенциальных нетрадиционных ресурсов редких металлов. Успех или поражение в этом направлении будут непосредственно определять использование в дальнейшем редких металлов. Интересно, что некоторые исследования, направленные на решение проблем разработки месторождений на большой глубине, уже проводятся в ряде стран. Сейсмическая техника используется для изучения строения земной коры в целом. Этой же цели служит программа сверхглубокого бурения, которая осуществляется в СССР. Широкомасштабное применение такой техники, несомненно, поможет открытию новых глубокозалегающих месторождений.