Распространенные металлы

Многие годы я нахожусь под сильным впечатлением устойчивого истощения наших месторождений железных руд. Маловероятно, что считавшиеся когда-то обильными источники богатых руд могут пережить новое поколение людей, более вероятно, что к концу столетия мы оставим после себя только бедные руды. Мое мнение — мнение человека, привыкшего иметь дело с реальными фактами, — заключается в том, что пришло время основательно подумать о будущем. (Andrew Carnegie, Proceedings of a Conference of Governors in the White House, Washington, D C, May 13—15, 1908).

Металлы обладают такими важными свойствами, как ковкость, пластичность, высокая тепло- и электропроводность. Металлы являются необходимым компонентом в технике, без них не могло бы развиваться наше общество дальше. По умению выплавлять и обрабатывать металлы мы определяем уровень развития древних обществ; многим хорошо известны термины «бронзовый век» и «железный век».

По распространенности в континентальной коре металлы можно подразделить на два класса: редкие металлы, с распространенностью ниже 0,1 %, и распространенные, как, например, железо, алюминий, марганец, магний и титан, — с распространенностью выше 0,1 %.

Практически любая горная порода содержит определенные количества каждого из распространенных металлов; все они обычно присутствуют в минералах, богатых по содержанию одного из этих металлов. Можно ли считать данную группу пород ресурсом по тому или иному металлу, определяется химическими свойствами конкретных минералов. Первый ключевой вопрос, возникающий в этой связи, состоит в том, насколько просто данный минерал отделяется от других, сопутствующих ему в горной породе? Обогащение ценного минерала осуществляется разными способами. Второй ключевой вопрос заключается в том, насколько просто отделенный от других полезный минерал может быть разложен для извлечения из него полезного металла? Эта задача также решается разными способами, из которых наиболее распространенным является плавка. Таким образом, извлечение металла из породы состоит из трех стадий: добычи, обогащения и плавки. Распространенные металлы обычно образуют химические соединения с кремнием и кислородом — наиболее распространенными в земной коре химическими элементами; такими соединениями являются, например, альбит NaAlSi₃O₈, анортит CaAl₂Si2O₈ и гранат Mg₃Al2Si₄O₁₂. Несмотря на отсутствие каких-либо сложностей при добыче и обогащении этих минералов, извлечение из них металлов ныне не производится, поскольку их плавка связана с большими расходами энергии. Более предпочтительны в этом смысле другие минералы. К ним относятся оксиды и гидроксиды, такие, как магнетит H₃AlO₃, гематит Fe₂O₃, гиббсит H₃AlO₃, а также карбонаты — сидерит Fe₂CO₃ и магнезит MgCO₃. К сожалению, все эти минералы встречаются значительно реже, чем силикаты, и поэтому легко извлекаемая доля любого металла ничтожно мала по сравнению с общим его содержанием в земной коре. Таково и мнение Эндрю Карнеги, послужившее эпиграфом к этой главе.

Потребление распространенных металлов

Распространенные металлы имеют настолько высокие средние содержания в земной коре, что даже сравнительно небольшое их превышение приводит к образованию вполне приемлемых руд. Конечно, при оценке очень важно, насколько месторождение богато, но если подходящего минерала не обнаружено, этот фактор перестает быть решающим при решении вопроса о целесообразности разработки месторождения В этом заключается главное различие между распространенными и редкими металлами. Время показало, что опасения Эндрю Карнеги оказались напрасными. Несомненно, предпочтительны богатые руды, однако и бедные руды могут быть обогащены до очень высокого уровня.

Распространенные металлы получили свое название по трем причинам: высокой распространенности в земной коре, широкому потреблению и темпу, с которым это потребление растет. Потребление особенно высоко для железа, производство которого значительно опережает производство всех других металлов, вместе взятых. Из-за высокого производства и достаточно полного удовлетворения потребностей в распространенных металлах цены на них сравнительно низкие. Например, в 1981 г. цена на чугун — наиболее дорогой среди всех «железных» продуктов — была примерно 13 центов за килограмм, алюминия — 135 центов, магния — 275 центов. Для сравнения приведем цены за килограмм таких редких металлов, как олово, вольфрам и родий, которые в том же году составляли соответственно 1612, 3300 и 2 253 000 центов.

Несмотря на легкую доступность руд распространенных металлов, переработка их требует высокоразвитой технологии и значительных затрат энергии. Неудивительно поэтому, что большая часть распространенных металлов производится и потребляется в промышленно развитых странах, хотя руды или концентраты покупаются обычно в развивающихся странах.

Железо

Железо — второй металл по распространенности в земной коре — является одним из «трех китов», поддерживающих цивилизацию; доля его потребления среди других металлов составляет 95 %. Значительная часть таких металлов, как никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, кобальт и марганец, добавляется к железу в качестве так называемых легирующих добавок для получения высокосортных сталей.

Выплавка железа из окисных руд представляет собой довольно простой химический процесс, называемый восстановлением. Восстанавливающий агент, такой, как углерод (обычно в форме кокса, производимого отгонкой газовой фазы из коксующихся углей), взаимодействует с оксидом железа при высокой температуре с образованием металлического железа и двуокиси углерода. Поскольку железные руды редко бывают абсолютно чистыми, необходимо добавлять флюс, в качестве которого обычно выступает известняк, нацело состоящий из кальцита — CaCO₃. Флюс используется для перевода имеющихся примесей в шлак. Выбор наиболее подходящих для такого процесса руд и получение достаточно высоких температур являются главными технологическими проблемами, решение которых находит свое отражение в длительной истории развития сталеплавильного производства. На протяжении более чем 2000 лет, вплоть до начала четырнадцатого столетия, все железо выплавлялось в примитивных кузницах при сжигании древесного угля, в пламени которого находились железная руда и известняк, обдуваемые потоком воздуха. Эти кузницы, остатки которых до сих пор можно найти в различных районах Африки и форму которых использовали в Китае в конце 1960-х годов (в связи с попыткой расширить производство железа за счет большого количества «дворовых» печей), были довольно малы: они позволяли восстанавливать железо из оксидов, но расплавить его было уже невозможно. В результате такой обработки получалась вязкая масса железных окатышей, из которых шлак и примеси выводились в процессе ковки, в результате которой появлялось губчатое железо.

С увеличением потребностей в железе кузницы становились все больше, и для их работы требовался уже более мощный поток воздуха. В печи достигались все более высокие температуры, в связи с чем железо производилось уже в расплавленном виде. Такие печи стали предшественниками современных домн. К началу четырнадцатого столетия в большом количестве производился чугун; так закладывались основы современной металлургии. Еще один важный шаг был сделан, когда стало ясно, как из чугуна получать сталь. Сталь — это сплав, в котором главную роль играет железо. Наиболее ранней и до сих пор используемой сталью является сплав железа с небольшим количеством углерода. Эта небольшая добавка придает сплаву высокую прочность, упругость и термостойкость, что делает его более ценным, чем простое железо. Стали более позднего времени, предназначенные для различных целей, представляют собой сплавы железа с такими металлами, как ванадий, вольфрам и молибден. Для повышения качества сталей большую роль сыграли применяемые ныне новые методы, открывшие дорогу для производства больших количеств высококачественных сталей из чугуна, такие, как эффективный поддув воздушной смеси, использование кокса, заменившего древесный уголь, различные методы обогащения руд и очистки их от вредных примесей (фосфора и серы). Много интересных изобретений было сделано в XIX в.; они составили основу фундамента современной технологии, позволяющей с успехом использовать все виды железных руд, что в свою очередь гарантирует поистине неисчерпаемость их запасов. Эти успехи дают красноречивый ответ на опасения Эндрю Карнеги относительно удовлетворения потребностей общества в железе, но вместе с тем они выдвигают на передний план такие факторы, как стоимость транспортировки и доступность рынков, которые теперь регулируют производство железа.

Поскольку производство стали (и соответственно чугуна, необходимого для ее получения) велико, велико и количество дополнительных материалов, необходимых для сталеплавильного производства. Исторически сложилось так, что наиболее выгодными становились те руды, стоимость транспортировки которых была минимальной. Лидерство Великобритании в производстве стали в прошлом веке было связано с близостью (и, следовательно, с низкими ценами за доставку) высококачественных коксующихся углей и богатых железных руд. С открытием в 1855 г. в Северной Америке канала Св. Марии — отличного водного пути по Великим озерам — стали доступны громадные запасы железных руд Мезаби-Рейндж (шт. Миннесота) и коксующихся углей в штате Пенсильвания. В результате этого Питтсбург стал центром сталелитейной индустрии и США заняли первое место в мире по производству железа и стали.

Фактор транспорта до сих пор остается чрезвычайно важным, однако существующая в мире огромная транспортная система позволяет практически любой стране иметь сталелитейную промышленность. Теперь уже нет необходимости строить сталелитейные заводы максимально близко к источникам топлива или железных руд. Действительно, большая часть топлива и руд доставляется к месту выплавки дешевым морским путем из самых дальних уголков земного шара, чтобы удовлетворить потребности таких гигантских продуцентов стали, как США и Япония, национальные ресурсы которых недостаточны. Но, скажем, развивающиеся страны в таком пути не нуждаются в отличие от Японии, которая практически лишена запасов железа. Только три страны из числа главных потребителей и производителей чугуна полностью обеспечены собственными ресурсами железных руд.

Ресурсы железа. Железо входит в состав четырех главных рудных минералов. Концентрации железа строго определяются возможностью его существования в двух состояниях окисления. На поверхности земли, т. е. в кислородной обстановке, стабильно только трехвалентное железо, которое входит в состав таких минералов, как гематит и гётит. На глубине в бескислородных условиях стабильны двухвалентное железо, которое входит в состав сидерита, и смешанный (с двух- и трехвалентным железом) минерал магнетит.

Выделяются три основных типа железорудных месторождений:

• ассоциирующиеся с изверженными породами;
• месторождения кор выветривания;
• осадочные месторождения.

При кристаллизации магмы, внедрившейся в «холодную» зону земной коры, формирование месторождений происходит несколькими путями. Магма представляет собой сложную жидкость, содержащую большое количество компонентов; она кристаллизуется не при строго фиксированной температуре, как это происходит с простыми жидкостями, а в интервале температур, т. е. минералы кристаллизуются один за другим, пока вся масса не превратится в твердую кристаллическую породу, состоящую из нескольких минералов. Если минералы, образующиеся первыми, имеют более высокую плотность, чем расплав, они начинают тонуть в нем и скапливаются в основании магматического очага, образуя магматические сегрегации, или, как их чаще называют, шлиры. Среди этих наиболее ранних минералов часто встречаются рудные минералы. Таким образом могут формироваться месторождения, примером которых является Бушвелдский комплекс в Южной Африке. Он представляет собой эффектно расслоенную интрузию, включающую двухметровый слой почти чистого магнетита. Важно отметить, что среди примесей в этом слое содержится около 1 % ванадия, который является прекрасной легирующей добавкой в некоторых сталях.

Ранние магматические минералы обычно безводны и не содержат летучих элементов, таких, как фтор и хлор. В процессе кристаллизации остаточный расплав обогащается летучими компонентами и даже насыщается ими; с определенного момента они начинают покидать магматический очаг, проникая в окружающие породы и изменяя их. Так вокруг магматического очага формируются ореолы контактового метаморфизма. Проникая дальше, потоки летучих компонентов, содержащие обычно большие количества воды и называемые гидротермальными флюидами, следуют по трещинам, постепенно охлаждаются и осаждают растворенное в них вещество с образованием гидротермальных месторождений.

Железорудные месторождения, связанные с магматизмом, могут быть двух типов. Первые представляют собой контактово-метаморфические месторождения; рудные тела в них имеют в основном небольшие размеры, но чрезвычайно богаты и состоят из гематита или магнетита. Только немногие из месторождений достаточно крупные для рентабельной разработки; среди них можно отметить отработанное ныне месторождение Корнуолл (шт. Пенсильвания), все еще эксплуатируемое месторождение Айрол-Спринте (шт. Юта) и гора Магнитная на Урале (СССР), Ввиду сравнительно небольших размеров месторождений, связанных с магматическими горными породами, не приходится особенно рассчитывать на открытие более крупных месторождений такого типа; в будущем они, вероятно, будут играть незначительную роль в земных ресурсах железа. Месторождения второго типа имеют гидротермальное происхождение. Когда на дне океана происходит вулканическое извержение, вода, окружающая потоки лав, проникает в них, нагревается и выщелачивает железистую составляющую. Вырываясь из лавы наружу, разогретые растворы образуют горячие источники, вокруг которых на дне осаждаются оксиды железа и кремнезем. Такие подводные месторождения, связанные с вулканической деятельностью, известны под названием железорудных месторождений типа Алгома. Эти месторождения, очевидно, формировались на Земле примерно 3,5 млрд. лет назад и формируются в наши дни. Ряд железорудных месторождений подобного типа, особенно в Канаде, исключительно богаты и достаточно крупные для разработки, однако большинство их настолько убоги по содержанию железа или настолько невелики, что они не имеют промышленного значения.

Месторождения кор выветривания формируются в тех местах, где активно проявляется выветривание и где все двухвалентное железо, содержащееся в породе, окисляется до нерастворимого трехвалентного железа. Этот процесс сопровождается изменением обычного цвета горных пород до бурого, желтого, черного или красного цвета, причем нередко породы становятся рыхлыми, похожими на почву. Если в процессе выветривания из пород выносится большая часть растворимых компонентов, то концентрация остающегося на месте железа соответственно растет. Этот процесс известен для всех геологических эпох — начиная с докембрия и до наших дней; именно он ответствен за формирование большого числа подобных месторождений. Обычно руды месторождений кор выветривания называют бурым железняком по цвету их основного минерала — гётита. Отдельные богатые месторождения кор выветривания, как правило, невелики: запасы их исчисляются в несколько десятков тысяч тонн; они малопригодны для разработки современными горнорудными методами и не в состоянии дать необходимого для развития индустрии количества руды. Поэтому добыча богатых бурых руд заметно сократилась и будет сокращаться в будущем. Однако при анализе потенциальных ресурсов отдаленного будущего эти месторождения могут иметь большое значение. В тропиках, например, где обильные дожди непрерывно вымывают из горных пород наиболее растворимые соединения, образовались особенные почвы — латериты с содержанием железа до 30 % и более. В настоящее время такие руды не используются в металлургии, но со временем они, несомненно, будут вовлечены в переработку. К сожалению, на этих почвах-латеритах развивается тропическое сельское хозяйство, и активная их разработка породит большое количество проблем, связанных с охраной окружающей среды.

Осадочные железорудные месторождения составляют основу современного производства железа, на них же приходится главная часть соответствующих запасов и потенциальных ресурсов. Несмотря на более чем вековую историю изучения, некоторые особенности образования этих месторождений остаются загадкой. В природе неизвестны современные процессы, которые могли бы служить аналогом процессов, протекавших когда-то в геологическом прошлом Земли; поэтому образование древних месторождений должно выводиться из большого числа различных косвенных показателей. А сам факт отсутствия современных аналогов осадочного накопления железных руд доказывает ранее упоминавшееся заключение, что минеральные ресурсы не дают «второго урожая».

Осадочные железные руды являются химически осажденными образованиями, а это значит, что их составляющие (рудные компоненты) были привнесены в растворенном виде и осаждены в форме нерастворимого продукта природной химической реакции. Этот факт представляет собой плохо разрешимую дилемму. Главными минералами осадочных руд являются гематит и гётит, причем оба практически нерастворимы в водах озер, рек и морей, поскольку содержат трехвалентное железо. Но, как мы уже видели, на земной поверхности в процессе выветривания все двухвалентное железо переходит в трехвалентное. Поэтому возникает вопрос: как железо могло быть перенесено с континентов в океан в растворе? Единственный путь для перехода железа из горной породы в раствор, — это сохранение его на поверхности в более растворимой двухвалентной форме, что в настоящее время невозможно из-за присутствия в атмосфере большого количества кислорода, либо изменение ныне нейтральных или слабощелочных поверхностных вод до кислых, в которых трехвалентное железо растворяется несколько лучше. В течение последних 570 млн. лет, которые представляют собой время от кембрия до наших дней и называются фанерозоем, отмечалось несколько периодов, в течение которых, как полагают, двухвалентное железо переносилось грунтовыми водами в растворенном виде. Поскольку перенос происходил под поверхностью, растворы были защищены от воздействия атмосферного кислорода. Когда же эти воды изливались на поверхность, железо немедленно окислялось и осаждалось в форме гётита. Фанерозойские месторождения, вероятно, формировались в ограниченных бассейнах — озерах или прибрежных лагунах — размером от менее чем 1 км до примерно 100 км; это формирование явно протекало в особых локальных условиях. Специфичность условий, как можно предполагать, заключалась, во-первых, в теплом и влажном климате, вызвавшем на поверхности суши развитие мощного покрова растений с глубоко проникающими корнями, и, во-вторых, в том, что почвы и горные породы были пропитаны грунтовыми водами, обогащенными как двуокисью углерода — продуктом жизнедеятельности корневой системы растений, так и органическими кислотами — продуктом распада и гниения растительных остатков. В тех местах, где областью разгрузки подобных вод был океан, железо быстро рассеивалось, но в особых случаях, когда область разгрузки представляла собой небольшой мелководный бассейн, происходило осаждение и накопление железа в виде химического осадка. Поскольку поверхностные воды также текут в океаны и ограниченные локальные бассейны, эти осадки, а следовательно, и железорудные месторождения всегда содержат большое количество других минералов и органических остатков, привнесенных вместе с железом.

Железные руды фанерозойского возраста, иногда называемые рудами типа Минетты, имеют исключительно важное значение и слагают некоторые месторождения Великобритании, Франции, ФРГ и Бельгии. Аналогичные руды — или руды типа Клинтон — уже давно добываются в Северной Америке от Ныофаундленда до Бирмингема (шт. Алабама). Значение этого типа месторождений постепенно снижается, поскольку большая часть североамериканских рудников уже закрыта, а европейские запасы руд быстро истощаются. Руды, которые сформировались до фанерозоя, представляют собой наиболее замечательный тип месторождений на Земле и получили название полосчатые железистые кварциты типа Лейк-Сьюпириор.

Период в истории Земли, когда образовались огромные количества богатых железом осадочных пород — месторождения типа Лейк-Сьюпириор, — начался приблизительно 2,6 млрд. лет назад и закончился 1,8 млрд. лет назад. Название месторождений типа Лейк-Сьюпириор возникло по местности в Северной Америке, где подобные руды были впервые изучены. Однако богатые железом древние отложения вскоре были найдены и на других континентах. На первый взгляд месторождения типа Лейк-Сьюпириор напоминают месторождения типа Алгома, поскольку их руды состоят из кремнезема и оксидов железа. Более внимательное изучение приводит к заключению, что руды типа Лейк-Сьюпириор образовались в морских бассейнах и, по-видимому, мало связаны с процессами подводной вулканической деятельности. Для объяснения процессов формирования таких месторождений необходимо допустить существование длительного периода эрозии континентов, за которым последовал период затопления мелководным морем. Широкомасштабная эрозия, предшествовавшая затоплению, оставляла мало обломочного материала, который мог бы переноситься в воде в виде взвесей; поэтому медленно накапливающиеся химические осадки имели более важное значение в новообразованных морских бассейнах. Одной из удивительных черт руд типа Лейк-Сьюпириор является весьма низкое содержание обломочного материала. Предполагается (хотя прямых доказательств у нас нет), что на ранних стадиях истории Земли атмосфера имела иной состав Возможно, свободного кислорода было значительно меньше, а двуокиси углерода — в 10—100 раз больше, чем сейчас. При таких условиях поверхностные воды должны были бы характеризоваться меньшей окисляющей способностью и слабой кислотностью, что способствовало бы выщелачиванию железа из пород, переносу его в растворах и осаждению в форме оксидов и гидроксидов в мелких морях. Источник железа остается неясным. Возможно, железо выщелачивалось из континентальных пород, однако многие ученые считают, что его поступление в морскую воду связано с подводными вулканическими извержениями или с выщелачиванием осадочных пород морского дна.

Перенос железа поверхностными водами — не единственная интересная проблема, связанная с месторождениями типа Лейк-Сьюпириор. Руды месторождений представляют собой многократно повторяющееся чередование прослоев, обогащенных железом, с прослоями, обогащенными кремнеземом; мощность прослоев нередко менее 1 мм. Полосчатая текстура настолько отчетлива, что такие породы обычно называют полосчатыми железистыми кварцитами. Обогащенные кремнеземом прослои представляют собой кремнистый сланец — чрезвычайно тонкозернистую кварцевую породу, образовавшуюся в результате перекристаллизаций коллоидного кремнезема. Ископаемые остатки примитивных микроскопических растений, обитавших в мелководных морях того времени, иногда сохраняются в таком кремнистом сланце. Микроскопические растения, впервые описанные в породах формации Ганфлинт, но установленные уже во многих железистых кварцитах мира, являются одними из наиболее древних известных нам ископаемых, которые появились на 2000 млн. лет раньше, чем ископаемые возраста 570 млн. лет. Каковы бы ни были условия, вызвавшие формирование полосчатых железистых кварцитов, их не следует считать необычными, так как эти образования встречаются по всему земному шару в ассоциации с породами приблизительно того же возраста. Необходимо также отметить, что условия, существовавшие во время их формирования, не повторялись по крайней мере около 1,8 млрд. лет.

Полосчатые железистые кварциты типа Лейк-Сьюпириор содержат 15—40 % железа; традиционно считалось, что такие содержания слишком низки для рационального извлечения металла. Однако в местах, где руды выходят на поверхность и подвергаются воздействию агентов выветривания, происходит вынос ассоциирующихся с железом кремнезема и карбоната; остающийся на месте материал содержит до 55 % железа, а иногда даже больше. Уникальные докембрийские железорудные месторождения в районе Лейк-Сьюпириор и в Лабрадорском прогибе (Северная Америка), месторождения Серро-Боливар (Венесуэла), Минас-Жерайс (Бразилия), Хамерсли (Австралия), Кривой Рог (Украина, СССР) и многие другие представляют собой громадные скопления железистых кварцитов, в которых имеются локальные зоны, обогащенные железом. Еще 40 лет назад неизмененные железистые кварциты, залегающие под скоплениями обогащенных руд, не добывались; после истощения запасов богатых руд в Соединенных Штатах Америки начали развиваться способы добычи и обогащения неизмененных руд — называемых таконитами — в рудной провинции Лейк-Сьюпириор.

Добыча таконитов представляет собой хороший пример того, как развитие техники и технологии может повлиять на оценку потенциальных ресурсов. Первые попытки использования таконитов сразу после второй мировой войны показали, что этот процесс будет весьма дорогостоящим и что бессмысленно надеяться на равноценную замену богатых руд таконитами. Однако вскоре выяснилось, что такониты хорошо обогащаются благодаря различной магнитной восприимчивости и плотности железистых и кремнистых минералов. Выяснилось также, что окатыши, получаемые при обогащении руд, повышают эффективность доменного процесса по сравнению с традиционными рудами и что сэкономленные при этом средства на транспорт и плавку компенсируют более высокую стоимость добычи и обогащения. Таконитовые окатыши стали ныне стандартом качества в промышленности; в 1983 г. из них было выплавлено более 75 % всего железа, произведенного в США.

Запасы измененных и обогащенных руд огромны — многие миллиарды тонн, — но они не идут ни в какое сравнение с количеством неизмененных руд. По оценкам Геологической службы США, произведенным в 1965 г., запасы таконитов в районе Лейк-Сьюпириор составляют 10¹¹ т железа. Другие оценки свидетельствуют о еще более крупных запасах в Трансваале (ЮАР), на Украине (СССР), в Хамерсли (Австралия), Лабрадорском прогибе (Канада) и Минас-Жерайс (Бразилия).

Если предположить, что мировое потребление железа за год составляет менее 10⁹ т, можно сказать, что запасы настолько велики, что даже с ростом его использования пройдет много столетий, прежде чем они истощатся настолько, что возникнут серьезные проблемы в этом плане.

Алюминий

Алюминий распространен в земной коре более широко, чем железо и благодаря своей легкости имеет лучшее отношение массы к прочности, что делает его более предпочтительным, нежели железо. В чистом виде этот элемент был впервые выделен в 1827 г. Процесс его выплавки очень трудоемок. Некоторое время металл был так редок и так дорог, что во Франции в королевской семье установилась мода на алюминиевые ножи и вилки! Только в конце девятнадцатого — начале двадцатого столетия были разработаны методы промышленного производства чистого алюминия, после чего область его применения значительно расширилась. Мировое производство алюминия в 1981 г. превысило 15 млн. т, но несколько снизилось в 1982 г. в результате экономического спада; ожидается, что в скором времени оно возрастет до 20 млн. т в год. Кроме замечательных прочностных качеств и малого веса алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей электрической проводимостью. В каждой области применения используется одно или несколько его полезных качеств, в результате чего алюминий заменил железо в ряде металлоконструкций и медь — в электрической сети. Известно, что 90 % новых линий электропередач в США построены на основе алюминиевого провода. Но алюминий не только заменитель, есть и его «собственные» отрасли в строительстве, транспорте и упаковочной индустрии.

Выплавка алюминия требует значительных количеств электроэнергии: на тонну алюминия расходуется энергия, эквивалентная теплоте сгорания 7 т угля. В США на алюминиевую промышленность приходится около 3 % производимой в стране электроэнергии. С ростом выплавки алюминия желательно базировать его производство на более дешевых источниках энергии — типа гидроэлектростанций, расположенных вдоль реки Колумбия на северо-западе США и в малонаселенных областях севера Канады. Необходимость больших количеств электроэнергии отразилась на распределении алюминиевой промышленности по земному шару.

Ресурсы алюминия. Алюминий, так же как и железо, входит в состав многих минералов. Однако почти весь алюминий производится сейчас из трех алюминиевых гидроксидов: гиббсита, бёмита и диаспора. Это порождает курьезную аномалию. Алюминий — третий по распространенности в земной коре элемент, но его гидроксиды являются достаточно редкими минералами. Поэтому запасы и потенциальные ресурсы традиционных алюминиевых руд весьма ограниченны; кроме того, географически они распространены крайне неравномерно.

Минералы, сформировавшиеся в результате магматических или метаморфических процессов, стабильны в глубоких зонах земной коры, где нет значительных скоплений свободной воды; такие минералы часто безводны или в лучшем случае содержат ничтожно малое количество воды. Выведенные геологическими процессами на поверхность, они теряют эту стабильность, и хотя процессы химических изменений на поверхности достаточно медленные, магматические или метаморфические минералы постепенно превращаются в новые, более устойчивые в этих условиях минералы, содержащие обычно заметные количества воды. Такое превращение называется химическим выветриванием. При выветривании такие элементы, как натрий, калий, кальций и магний, легко переходят в раствор и выносятся. На месте остается так называемый латерит. Большая часть латеритов богата железом, но в некоторых из них в заметных количествах накапливается алюминий. Латериты с повышенным содержанием алюминия состоят из гидроксидов алюминия и называются бокситами (по названию деревушки Ле-Бокс на юге Франции, где они были впервые описаны в 1821 г.).

Бокситы, очевидно, формируются только в специфических условиях тропического выветривания. В низинах, на сравнительно плоских и ровных местах дождевая вода стекает медленно и механический вынос продуктов выветривания в виде взвеси минимален. Хотя растворимость большинства минералов чрезвычайно низка, наиболее эффективным способом выноса материала в низменных районах становится транспортировка в растворах. Большое количество дождевой влаги и теплый климат тропических областей существенно ускоряют этот процесс.

Кроме дождей, топографии местности и температуры воздуха, большую роль в формировании бокситов играет кислотность вод, омывающих породы. После выноса большей части элементов остаток обогащается глинистыми минералами, такими, как каолинит Al₂Si₂O₅(OH)₄. Каолинит затем также растворяется. Если просачивающиеся через породы воды очень кислые, минерал может раствориться полностью; если кислотность вод незначительна, в раствор уходит только кремнезем, а осаждаются гидроксиды алюминия; таким образом формируется боксит. Этот процесс происходит очень медленно, причем постоянно повторяются явления растворения и осаждения, в результате чего бокситы имеют ярко выраженную пизолитовую структуру.

Исходные породы, из которых в этих условиях образуются бокситы, могут иметь различный состав. Некоторые породы не содержат достаточного количества алюминия, но большая часть характеризуется относительно низким содержанием кремнезема по сравнению с другими породами. Ряд наиболее крупных месторождений бокситов образовался на известняках, которые состоят преимущественно из карбоната кальция с небольшой примесью глинистых и железистых минералов; поэтому латериты, образовавшиеся на их месте, являются бокситовыми. В тропическом климате известняки быстро растворяются, а глинистый остаток остается, при этом кислотность выщелачивающих вод во многих случаях благоприятствует формированию бокситов.

Бокситы достаточно широко распространены на Земле, но концентрируются главным образом в тропиках. Если же они встречаются ныне в зоне умеренного климата, например в Южной Франции или Арканзасе, то следует иметь в виду, что во время их образования климат этих мест был тропическим. Поскольку бокситовые месторождения являются поверхностными, они подвержены воздействию процессов механического выветривания. Бокситы не известны в местах развития ледниковых покровов, поскольку движущийся лед сдирает с поверхности все рыхлые отложения. Вследствие незащищенности от более поздних процессов эрозии большинство бокситовых месторождений являются молодыми в геологическом отношении: более 90 % из их числа сформировались в последние 60 млн. лет, а крупнейшие — в 25 млн. лет.

Тропические регионы являются наименее развитыми в экономическом отношении, и только после второй мировой войны здесь проводились широкомасштабные поисковые работы на бокситы, в результате которых были открыты крупные запасы богатых руд в тропических районах Австралии, стран Карибского бассейна, Африки и Южной Америки.

В 1967 г. Геологическая служба США оценила мировые запасы бокситов в 5,8∙10⁹ т, а потенциальные ресурсы — в 9,6∙10⁹ т; естественно, речь шла о тех потенциальных ресурсах, которые считались таковыми в то время (они не попадали в категорию запасов из-за низких содержаний алюминия в рудах или их географической удаленности). Приблизительно 73% общих запасов и ресурсов располагаются в тропической зоне северной части Квинсленда (Австралия), в Гвинее и Камеруне (Африка), в Суринаме и Гайяне (Южная Америка) и на Ямайке. Остальные 27 % широко рассеяны и в силу большей изученности территорий тяготеют к Европе и Азии. Начиная с 1967 г. много новых месторождений было открыто в Бразилии, Западной Африке, на Тайване и в Индонезии. Многие ресурсы, оцененные в 1967 г. как потенциальные, стали запасами после того, как инженеры научились использовать более бедные руды; не последнюю роль здесь сыграло и развитие мирового транспортного хозяйства. Те же специалисты, которые в 1967 г. оценивали запасы алюминиевых руд, в 1974 г. оценили потенциальные ресурсы бокситов в 20∙10⁹ т, из которых по крайней мере 10∙10⁹ т относятся к категории запасов. К 1982 г. эти цифры вновь возросли за счет новых открытий, хотя и не столь значительно. Общие ресурсы бокситов оценивались ориентировочно и в 1982 г. составляли примерно 25∙10⁹ т. Эта цифра может возрастать и далее, но период открытий гигантских месторождений, по-видимому, прошел, поскольку большая часть территории тропиков уже опоискована. Ограниченность условий, в которых образуются бокситы, практически исключает возможность увеличения их ресурсов, скажем, на порядок; поэтому современная оценка в 25∙10⁹ т представляется достаточно реалистичной.

Значение 25∙10⁹ т выглядит значительным только на первый взгляд, в сравнении же со значениями для железорудных месторождений оно ничтожно, поскольку такие запасы может иметь одно единственное месторождение железа. Если учесть, что даже в богатых бокситах алюминий составляет только треть их общей массы и что в ближайшем будущем ожидается увеличение производства алюминия до 20∙10⁶ т в год, становится понятным беспокойство, вызываемое грядущей перспективой. Запасы бокситов схожи с запасами нефти: они достаточны для ближайшего будущего, на них можно рассчитывать, как в конце этого, так и в начале следующего столетия, но нет никакой уверенности, что наши потребности в бокситах могут быть удовлетворены в отдаленном будущем.

Несмотря на то, что запасы бокситов еще достаточно велики и могут обеспечить промышленность вплоть до первых десятилетий следующего века, экономические и политические факторы свидетельствуют о неизбежности освоения других источников алюминия. Самые крупные страны — потребители этого металла — отнюдь не ведущие страны по добыче бокситов, поэтому одним из решающих факторов станет рост цен на бокситовое сырье, поскольку страны-производители будут стремиться к получению больших прибылей от стран-импортеров, что будет выражаться в повышении цен на землю и право добычи, в росте налогов и затрат на техническое обустройство рабочих мест и т. п. Другими факторами являются рост затрат на транспорт и средства производства, опасность национализации предприятий добывающей промышленности раньше, чем вложенные средства успеют окупиться, политическая нестабильность. Финансовый фактор настолько значим, что многие из сегодняшних запасов могут перейти снова в разряд потенциальных ресурсов. Так существуют два наиболее важных фактора, оказывающих решающее влияние на ресурсы бокситов: с одной стороны, это социально-политические условия, с другой — малая распространенность бокситов самих по себе. Действие обоих факторов приводит к необходимости замены с течением времени бокситов на другие виды сырья. Что это за «другие виды сырья»? Уже в настоящее время алюминий получают из нефелина (СССР) и алунита (Япония, СССР, Мексика и США). Однако и с этими минералами связаны проблемы, аналогичные описанным для бокситов, поэтому большие надежды возлагаются на производство алюминия из более распространенных минералов.

Глинистые минералы, такие, как каолинит, образуются в процессе выветривания большинства горных пород и вслед за кварцем являются наиболее распространенными минералами в современных осадочных породах. Если себестоимость производства снизится, то глины смогут использоваться уже сейчас. Успешные испытания этого сырья проведены к настоящему времени в США, СССР и Польше, но пока затраты на такое производство алюминия значительно выше, чем при использовании бокситов. Объясняется это тем, что каолинит является силикатом, а силикаты в целом требуют больше энергии, чем гидроксиды для выплавки из них металла. Поэтому, прежде чем начинать промышленное использование новых видов алюминиевого сырья, необходимо решить некоторые технологические и экономические проблемы. Как только они будут решены, потенциальные ресурсы алюминиевого сырья благодаря широкой распространенности глин значительно опередят ресурсы железа.

Производство алюминия из глин — всего лишь одна из большого ряда возможностей. Можно видеть, что есть множество других вариантов. Силикаты алюминия — андалузит, силлиманит и кианит — образуются при метаморфизме глинистых осадочных пород. Как и исходные глинистые образования, они довольно широко распространены, но при их использовании в качестве алюминиевого сырья необходимо предварительное обогащение. Завод по производству алюминия из силикатов алюминия построен на юге Франции.

Наиболее распространенной группой алюминийсодержащих минералов в земной коре является семейство полевых шпатов, химический состав которых определяется количественными соотношениями трех компонентов: KAlSi₃O₈, NaAlSi₃O₈ и CaAl₂Si₂O₈. Кальциевый полевой шпат — анортит — содержит около 19 % алюминия по массе и является основным породообразующим минералом магматических пород, называемых анортозитами. Экспериментальные испытания в США и Норвегии показали, что производство алюминия из анортозитов возможно. Распространенность анортозитов очень велика; на месторождении в пределах Ларамийского хребта (шт. Вайоминг, США) запасы анортозитов до глубины 30 м составляют, согласно оценке, 30∙10⁹ т горной породы, а в целом для США эта цифра превышает 10¹¹ т. Исследования и технологические испытания этого вида сырья продолжаются, и многие специалисты считают, что анортозиты как алюминиевое сырье являются более перспективным заменителем бокситов, нежели глинистые минералы.

Что касается других возможных источников алюминия, то с ними связано меньше технологических и прочих проблем, чем с анортозитами и глинами, однако, как и упоминавшиеся выше алунит и нефелин, они имеют ограниченную распространенность. Наиболее реалистичная оценка алюминия заключается, по-видимому, в том, что это продукт с большими потенциальными ресурсами, требующими новых технологических решений, но производство его всегда будет энергоемким и дорогостоящим.

Марганец

Марганец является исключительно важной добавкой в сталях, снижающей отрицательное действие малых количеств серы и кислорода. На каждую тонну производимой стали требуется приблизительно 7 кг марганца, при этом заменитель ему пока не найден.

Марганец, как и железо, имеет несколько степеней окисления, и его распределение во многом контролируется этой особенностью. Марганец легко накапливается при формировании хемогенных осадочных пород (образующихся при химическом осаждении), вулканогенно-осадочных комплексов и остаточных кор выветривания при изменении первоначальных пород. Как и в случае железа, наиболее окисленный марганец наименее растворим и поэтому концентрируется в остаточных корах выветривания и осадочных месторождениях.

Наиболее крупные месторождения марганца, в которых пиролюзит MnO₂ и другие марганцевые минералы входят в состав хемогенной осадочной породы, очень похожи на фанерозойские железорудные месторождения; к ним относятся Чиатурское (Грузинская ССР) и Никопольское (Украинская ССР) месторождения. Запасы этих двух месторождений оцениваются в сотни миллионов тонн, что составляет более 75 % мировых запасов богатых марганцевых руд. Значительные месторождения остаточных кор выветривания, представленные в основном пиролюзитом и псиломеланом Mn₂O₃∙2H₂O, найдены в ЮАР, Индии, Австралии, Бразилии, Габоне и Китае. Так же как и бокситы, богатые коры выветривания образуются в тропиках, где наблюдаются обильные дожди и поэтому чрезвычайно широко развито выветривание.

Согласно оценке Горного бюро США за 1970 г., мировые запасы доступных для разработки марганцевых руд составляют 25∙10⁹ т, т. е. не так уж много по сравнению с уровнем их потребления (25∙10⁶ т в 1981 г.). Возможно, что при дальнейших исследованиях тропических районов будут открыты месторождения богатых марганцевых руд, но более вероятная перспектива — это обращение к нетрадиционным источникам.

Одним из наиболее крупных потенциальных источников марганца, оживленно обсуждаемых уже много лет, являются осадки дна океанов. В 1872—1876 гг. Лондонское королевское общество организовало исторический рейс — кругосветное плавание на судне «Челленджер», в котором были собраны сведения о водах, обитателях и растениях океанов, а также о месторождениях океанического дна. Одним из наиболее интересных открытий было обнаружение на дне океанов огромных скоплений черных конкреций до нескольких сантиметров в диаметре. Конкреции представляют собой смесь оксидов и гидроксидов марганца и железа. Обычно эти конкреции называются марганцевыми, однако правильнее их называть железомарганцевыми. Несмотря на интенсивные исследования последних лет, некоторые особенности происхождения конкреций по-прежнему неясны. Считается, что элементы, составляющие конкреции, поступают как с континентов, так и из вулканических пород океанического дна в результате выщелачивания их морской водой в районах срединно-океанических хребтов. Пройдя сложный путь в несколько этапов, эти элементы накапливаются в наиболее глубоких частях океана.

Скорость роста конкреций исключительно низкая — менее 1 мм за тысячу лет. Они широко распространены на морском дне; подсчитано, что около 2∙10¹² т конкреций может быть поднято со дна одного только Тихого океана. Это может дать 4∙10¹¹ т марганца.

Добыча железомарганцевых конкреций уже ведется в опытном порядке со дна Тихого океана рядом японских и американских компаний. Пока не известно, когда начнется регулярная их добыча. Как это ни странно, но морские конкреции, содержащие до 25 % марганца, будут добываться не ради этого металла, а ради полезных примесей. В конкрециях нередко содержится несколько процентов меди, никеля, кобальта и других редких металлов; если методика их извлечения окажется эффективной, то первые партии конкреций будут использованы в этих целях. Марганец же будет извлекаться в качестве побочного продукта. Остается пока открытым вопрос о воздействии процесса драгирования на морское дно. Не решен также вопрос о праве на драгирование океанического дна в международной акватории; до сих пор он обсуждается в ООН в рамках разработки «Морского законодательства». Решение этих вопросов выдвинет на первый план проблемы добычи конкреций и охраны прав, а также ряд других проблем, часть из которых уже разрабатывается.

Титан

В титане, как и в алюминии, малый удельный вес сочетается с высокой прочностью и коррозионной стойкостью. В некоторых случаях — в частности, при создании сверхзвуковых самолетов — титан наиболее отвечает технологическим требованиям. Этот металл с трудом обрабатывается и выплавляется из руд. Промышленное производство титана началось только после второй мировой войны, при этом потребление его в США составило в 1981 г. всего 29 тыс. т. Пока еще нет возможности оценить запасы титана с достаточной точностью, однако ясно, что они значительны.

В настоящее время 90 % добычи приходится на руды, состоящие из оксида титана TiO₂, который широко используется в производстве титановых белил.

Ильменит FeTiO₃ — главный рудный минерал — накапливается в магматических сегрегациях (шлирах) и наиболее часто ассоциируется с анортозитами. Крупнейшие титановые месторождения в Аллард-Лейк (Квебек, Канада) того же типа, что и месторождения Санфорд-Лейк в горах Адирондак на севере штата Нью-Йорк (США) и Блофелдит в Норвегии.

Второй титановый минерал — рутил TiO₂ — столь же обычен в земной коре, как и ильменит, но он не образует значительных скоплений при магматических, метаморфических и гидротермальных процессах. Существует, однако, способ концентрации и рутила и ильменита. Оба минерала широко распространены в магматических и метаморфических породах, оба имеют высокую плотность и стойкость к воздействию агентов выветривания. Стойкость к разрушению объединяет их с минералами, которые наиболее устойчивы при выветривании; когда глины и другие тонкозернистые продукты разрушения переносятся в виде суспензий, прочные и тяжелые минералы остаются и накапливаются в россыпях. Крупные россыпные месторождения разрабатываются в Австралии, Шри-Ланке, Индии, Сьерра-Леоне, ЮАР и СССР Запасы этих месторождений велики, а потенциальные ресурсы еще значительнее; запасы морских россыпей на Атлантическом побережье США достигают 10⁹ т. По мнению экспертов, они достаточны для будущего.

Магний

Магний является наиболее легким и стабильным из распространенных металлов. Будучи прочным, он необходим в производстве легких сплавов с высокой коррозионной стойкостью, особенно в сплавах с алюминием. Мировое производство металлического магния невелико по сравнению с производством железа или алюминия и составляет примерно 300 тыс. т (1981 г.) Однако магний используется обычно не в металлической форме, а в соединениях, в частности в виде оксида MgO, который обладает замечательными термоизоляционными и электроизоляционными свойствами. Главным источником магния являются моря, содержащие неистощимые запасы этого элемента; магний входит и в такие широкораспространенные в земной коре минералы осадочных пород, как доломит CaMg(CO₃)₂ и магнезит MgCO₃. Если осадочная порода состоит преимущественно из доломита, ее также называют доломитом. Магнезит, кроме осадочных пород, встречается в корах выветривания и в гидротермальных месторождениях.

Запасы магния практически неограниченны, к тому же они настолько доступны, что их обсуждение не имеет смысла. Единственное ограничение в использовании магния человеком — это технологические сложности.

Распространенные металлы в будущем

Из приведенного выше обсуждения можно сделать вывод, что распространенность элемента в земной коре пропорциональна его запасам, доступным для человека. Добыча руд не будет ограничивать использование распространенных металлов, хотя на этом пути возможны временные трудности, связанные с попытками освоения новых типов руд. За исключением алюминия, ни с одним из распространенных металлов не возникнет серьезных экономических трудностей, но и для алюминия технологические проблемы могут быть решены.

Источник: Б. Скиннер. Хватит ли человечеству земных ресурсов? Перевод с английского канд. геол.-мин. наук Н. Н. Шатагина. Под редакцией д-ра эконом. наук А. С. Астахова. «Мир». Москва. 1989