Платиноиды
Редкие самородные металлы представлены менее широкой группой месторождений, чем металлы сульфидных минералов. Платина, палладий, родий, иридий, рутений и осмий, называемые часто платиноидами, всегда встречаются вместе и накапливаются в горных породах, образовавшихся из мантийных магм. Уровни содержания платиноидов чрезвычайно низки. Наиболее распространенные среди них платина и палладий имеют среднее содержание в земной коре всего 0,0000005 %, а другие и того меньше.
Вместе с тем в мантийных породах содержания платиноидов заметно выше, но не настолько, чтобы их можно было рассматривать в качестве потенциальных ресурсов. Наиболее важным способом накопления платиноидов в рудах месторождений является процесс магматической сегрегации сульфидов никеля, меди и железа. По мере тот как образовавшиеся сульфиды начинают под действием силы тяжести опускаться на дно магматической камеры, они действуют как накопители атомов, извлекая платиноиды из расплава. При разработке образующихся таким образом сегрегационных магматических месторождений меди и никеля платиноиды получаются попутно в качестве побочного продукта. Есть месторождения, на которых, наоборот, выгоднее извлекать платиноиды как главный компонент, хотя в рудах могут присутствовать и медь, и никель. Это относится к расположенному в ЮАР Бушвелдскому магматическому комплексу, в котором имеется сегрегационный слой мощностью до десятков сантиметров, обогащенный платиноидами, — так называемый риф Меренекого.
Существует еще один важный тип месторождений платиноидов. Эти металлы не подвергаются химическому выветриванию и достаточно прочны. Поэтому их зерна не разрушаются при переносе проточными водами и выпадении в осадок. Будучи очень тяжелыми, они накапливаются в россыпях. В местах, где встречаются, платиноидоносные изверженные горные породы, как, например, в Уральских горах (СССР), могут формироваться довольно крупные россыпные месторождения.
Типичные случаи накопления россыпей. Водные истоки, переносящие частицы сорных пород и минералов, сталкиваясь с различными препятствиями или отклоняясь в сторону, теряют наиболее плотные и крупные обломки, перемещаемые волочением по дну и отчасти во взвесях. Россыпи, могут образовываться в любом месте, где есть водные потоки, но особенно часто это происходит в речных руслах.
Запасы платиноидов велики по сравнению с объемами их производства, однако распространены они крайне неравномерно. Большая их часть сосредоточена в Бушвелдском комплексе и в СССР. Потенциальные ресурсы платиноидов не оценены, но они, вероятно, большие. Многие расслоенные интрузивные массивы, такие, как Стиллуотер (шт. Монтана) и Дулут (шт. Миннесота), содержат большие ресурсы бедных руд. Главной сложностью производства платиноидов является то, что переработка из низкосортных ресурсов тесно связана с производством других металлов, таких, как никель и медь. Поэтому в будущем ситуация с платиноидами может оказаться похожей на современное положение с серебром.
Золото
От платиноидов золото отличается тем, что если первые связаны, с изверженными породами мантийного происхождения, то второе ассоциируется с магматическими горными породами, образовавшимися в земной коре. Как и сульфидные минералы, золото переносится гидротермальными растворами. Самородное золото — одно из самых малорастворимых веществ в природе, но оно может переноситься в растворе в форме сульфидных или хлоридных соединений. Обычно золото находят в гидротермальных жильных месторождениях в ассоциации с сульфидами или без них.
Руды, богатые золотом, встречаются редко, но и в этом случае содержание золота составляет 0,007 %, что позволяет извлечь около 60 г металла из каждой тонны руды. Однако, и разработка более бедных руд может быть рентабельной.
Золото настолько стойко к коррозии, что практически не разрушается. Большая часть когда-либо добытого золота используется до сих пор. Постоянно находясь в употреблении, меняя владельцев и назначение, оно проходит сквозь века и, может быть, в вашей зубной коронке или в обручальном кольце содержится частица золота браслета Клеопатры. Золото необычно еще и тем, что образуется в виде отдельного минерала даже при очень низких концентрациях и не входит в состав других минералов, что имеет место с более распространенными металлами. Поскольку золото широко рассеяно в малых количествах, не подвержено разрушению и имеет высокую плотность, оно идеально подходит для накопления в россыпях, которым обязана большая часть его мирового производства.
Среди наиболее известных золоторудных месторождений мира выделяются месторождения района Витватерсранд (ЮАР). Образовавшиеся, около 2,5 млрд. лет назад в докембрийекое время руды заключены в толще конгломератов — осадочных образований, состоящих из округлых галек разнообразных пород, сцементированных тонкозернистой массой. Этот тип пород обычно содержит россыпи в разных районах земного шара, формировавшиеся во все геологические эпохи, но ничто не может сравниться с удивительными рудами Ранда, как еще сокращенно называют это уникальное месторождение. Большая часть россыпных месторождений невелика: по протяженности они едва достигают нескольких сотен метров или редко километров. Россыпи приурочены к современным или исчезнувшим руслам рек. Руды Ранда тоже, по-видимому, локализованы вдоль древних речных долин, при этом толща конгломератов слагает 400-км полосу, разрабатываемую по всей длине, а шахты достигли практически предельной глубины (3,5 км). Ни один из исследователей, изучавших эти руды, не смог предложить теории, опровергающей их россыпное происхождение, но никто так и не сумел объяснить громадных размеров месторождений. По-видимому, руды формировались либо в окраинных частях внутреннего моря, либо в мелководном морском заливе, поскольку рудовмещающими являются породы, образовавшиеся в условиях мелководной дельты. Золото в рудах тесно ассоциируется с зернами уранинита, поэтому район Витватерсранд оказывается не только крупнейшим в мире поставщиком золота, но и крупнейшим производителем урана. Возможно, существуют и другие месторождения типа Витватерсранда; аналогичные золоторудные месторождения, правда более мелкие, открыты в Бразилии, а в Канаде сходные урановые месторождения обнаружены в районе Блайнд-Ривер (Онтарио).
Вскоре после своего открытия (1885 г.) район Ранд становится ведущим производителем золота; таким он остается и поныне. В 1982 г. на него приходилось 52 % мирового производства золота. Хотя добыча этого металла ведется в широких масштабах — 71 страна В 1982 г. — крупные месторождения золота редки, и только четыре страны обеспечивают 85 % его мирового производства. В Соединенных Штатах Америки одной из крупнейших золоторудных шахт является Хоумстейк-Майн в Северной Дакоте. Месторождение имеет докембрийский возраст, оно сильно метаморфизовано и его происхождение неясно. Ученые, изучавшие месторождение, полагают, что подводные морские горячие источники отлагали золото и попутные редкие металлы в осадочных вмещающих породах по мере их накопления и что в результате последующих процессов метаморфизма металлы сконцентрировались в жилах и линзах. В штате Невада разрабатываются три месторождения необычного типа: Карлин, Кортес и Гетчелл. Недавние открытия аналогичных месторождений в штатах Невада и Калифорния позволяют надеяться, что многие месторождения этого типа еще не найдены. Месторождения являются гидротермальными, причем золото в рудах настолько тонкозернисто, что иногда его трудно увидеть даже под микроскопом. Поэтому для открытия новых месторождений необходимы тонкие методы исследования.
Наряду с широким использованием в денежном обращении золото имеет и другие области применения, в связи с чем темпы его потребления неуклонно растут. Большая часть этого благородного металла уходит на ювелирные изделия; наряду с этим быстро возрастает потребность в золоте для электроники при производстве компьютеров; постоянен спрос на золото для зубного протезирования. Многие годы цены на золото контролировались правительственными указами, однако с учреждением в 1968 г. свободного рынка и с восстановлением прав частной собственности на золото в США цена на этот металл быстро превысила 5 долл./г. Вопросы о запасах и потенциальных ресурсах должны рассматриваться в тесной связи с ценами. В 1968 г. Горное бюро США оценило мировые запасы золотой руды, доступной для рентабельной добычи при цене 4,66 долл./г. (145 долл./унция), приблизительно в 37 тыс. т в пересчете на металл. Цена на металл вскоре превысила указанную величину, однако мировые запасы отнюдь не увеличились. К концу 1982 г. цена была уже близка к 15 долл./г, но и после этого мировые запасы не выросли сколько-нибудь заметно. Вопреки успешному освоению ранее упоминавшихся новых месторождений в штатах Невада и Калифорния большого роста запасов золотых руд не наблюдается, вероятно, из-за отсутствия больших потенциальных ресурсов бедных руд. Таким образом, золото представляет собой своеобразную экономическую аномалию — цена на него может расти, не вызывая таких же темпов роста его производства.
Редкие металлы, образующие месторождения оксидов
Редкие металлы, характеризующиеся сродством к кислороду, за исключением олова, могут быть названы недавними пришельцами в сферу потребления, и разнообразные области их применения отражают удивительное усложнение используемых ныне технологических приемов. Хром, вольфрам, тантал, ванадий и ниобий, первоначально называвшийся колумбием, в основном используются для получения специальных сплавов, но есть у них и другие весьма специфические сферы использования. Например, большая доля получаемого вольфрама идет сегодня для производства карбида вольфрама (WC) — очень твердого материала, применяемого в металлообработке, при бурении скважин и в производстве бронебойных снарядов; у тантала были выявлены особые электрические свойства, необходимые для маломощных электронных ламп, что открывает интересные возможности для компьютеров будущего. Уран имеет свои специфические свойства, которые позволяют использовать энергию контролируемого процесса распада. Уран относится к разряду «топлив», а не металлов.
Хром
Среди редких металлов, образующих оксиды, хром имеет наибольший объем производства. Он является необходимым компонентом сталей и относится к тем металлам, для которых еще не найдено хороших заменителей. Значительные количества хрома потребляются также химической индустрией, а в виде хромита (Mg, Fe) Cr2O4 — для производства огнеупорного кирпича.
До конца прошлого столетия хром использовался только в химической промышленности, в основном для производства красителей. После 1900 г. он стал использоваться в качестве легирующего компонента сплавов; стали для скоростной резки металлов и нержавеющие стали с хромом находят широкое применение. В современной технике хром является насущно необходимым металлом.
Единственный промышленно важный минерал хрома — хромит, запасы которого ограничены как его относительной редкостью, так и географическим распределением. Другие источники хрома пока не установлены.
Хромитовые месторождения образуются в результате магматической сегрегации. Именно этим путем хромит сам себя концентрирует, поскольку он является очень тяжелым минералом и рано кристаллизуется из расплава при остывании магмы. Поэтому месторождения хромитов встречаются только в тех местах, где материал верхней мантии выходит на поверхность, или там, где порожденная мантией магма внедрялась в земную кору. Возможны два механизма формирования месторождений. В первом случае от верхней мантии отрываются фрагменты и выдавливаются вверх вдоль швов — зон столкновения литосферных плит. Эти фрагменты обычно представлены глубинными изверженными породами, называемыми перидотитами, которые в свою очередь изредка содержат слои и шлиры хромитов, образовавшихся в процессе магматической сегрегации. Так как перидотиты встречаются в горных хребтах, возникших при столкновении литосферных плит, их в честь Альп называют альпийскими (или альпинотипными) перидотитами. Во втором случае хромиты поступают в земную кору как составляющая магм. Сейчас мы, естественно, находим лишь застывшую магму в форме расслоенных интрузивных массивов, в которых может присутствовать и хромит в виде богатых магматических скоплений.
а — в ходе магматической сегрегации более крупный и тяжелый материал оседает быстрее, чем мелкий и легкий, давая начало четко разграниченным слоям различного состава. Таким образом, хромит, ильменит и магнетит накапливаются в основании очага; б — пример расслоенности, возникшей между хромитами и анортозитами (белое) в Бушвелдском комплексе (ЮАР).
Подавляющая часть прежней мировой добычи хромитов пространственно связана с альпинотипными перидотитами Уральских гор (СССР), гор Турции, Филиппин, Греции, Ирана, Югославии, Индии и США. К сожалению, все эти месторождения обычно невелики, с трудом выявляются и часто неудобны для разработки. Поэтому понятен интерес к расслоенным интрузивным массивам, в которых запасы хромита значительно больше. Такие массивы характерны для Африки. Один из самых необычных массивов изверженных горных пород расположен в ЮАР. Это — Бушвелдский комплекс, заключающий в себе большое количество различных слоев горных пород, содержащих иногда хромит; он охватывает площадь более 60 тыс. км2 и содержит, как сообщалось в 1982 г., 2,5 млрд. т богатых хромитовых руд (запасы). К этому следует еще прибавить 10 млрд. т потенциальных запасов руды.
Другой крупный расслоенный интрузив — Великая Дайка Зимбабве также имеет гигантские запасы хромитов. Ясно, что со временем Южная Африка займет гораздо более высокое место в добыче хромита, потеснив при этом традиционного лидера — СССР.
Примечательно, что расслоенные интрузивы найдены практически на всех континентах, и большинство из них содержит низкосортные потенциальные ресурсы хромита. Примером крупного источника низкосортного сырья является комплекс Стиллуотер — расслоенный интрузив в штате Монтана, который содержит подавляющую часть потенциальных ресурсов США. Более того, потенциальные ресурсы хромитовых руд с низким содержанием хрома настолько велики и широко распространены, что практически все страны могут обеспечить себя этим сырьем. В будущем, по-видимому, не возникнет трудностей с хромом. Однако, если по каким-либо причинам что-то случилось бы с поставками из африканских запасов, возник бы крутой рост цен на хром в связи с переходом к освоению его бедных руд.
Олово и вольфрам
Олово, не считая хрома, — единственный редкий металл с большим объемом производства. Вот уже тысячи лет оно используется для изготовления бронзы. Главнейшими областями современного использования олова являются процессы лужения, т. е. нанесение тонкого слоя на поверхность металлических изделий для защиты их от коррозии, и производство мягких припоев.
Минералы, содержащие олово и вольфрам, часто встречаются вместе. Месторождения этих металлов нередко ассоциируются с определенными типами изверженных пород континентальной коры. Так, например, олово и вольфрам концентрируются в скарновых месторождениях, которые образуются в местах, где граниты контактируют с известняками. Для руд характерны минералы касситерит SnCb, вольфрамит (Fe, Mn)WO4 и шеелит CaWO4. Они имеют высокую плотность и устойчивы к выветриванию, поэтому могут накапливаться в россыпных месторождениях. Большая доля производства, особенно олова, приходится на такие вторичные скопления.
Как олово, так и вольфрам относятся к элементам, обеспеченность которыми в будущем недостаточно ясна; содержания их в земной коре низкие, а число месторождений невелико. В Северной Америке, например, имеется лишь несколько оловорудных месторождений, правда, число вольфрамовых — значительно больше. Значительная часть известных запасов и потенциальных ресурсов олова приходится на дате металлогенические провинции. Одна из них протягивается от Явы, через Малайзию, Восточный Китай и Корею в Восточную Сибирь, а другая располагается в высокогорной части Анд в Боливии и Перу. Такое же распределение характерно для большей части запасов вольфрама и горнодобывающих предприятий; приблизительно половина мирового производства вольфрама приходится на восточно-азиатский металлогенический пояс, который служит источником и значительной части мирового производства олова.
Другие металлы, образующие оксиды
Оксиды образуются и другими редкими металлами, из которых наиболее важны ниобий, тантал и бериллий. Все они обычно накапливаются в пегматитах. Многие годы пегматиты рыл и их единственным источником. Но недавно были открыты новые источники для каждого из этих металлов. Минералы, содержащие ниобий и тантал, обнаружены во многих карбонатитовых массивах, а силикаты бериллия — в гидротермально измененных лавах в штатах Юта, Невада и Нью-Мексико в виде исключительно тонкозернистых минералов, которые ранее пропускались. Хотя минералы бериллия здесь слишком тонкозернисты для традиционных схем обогащения, он может быть переведен в раствор кислотами и таким образом извлечен из руд. Крупнейшим источником потенциальных ресурсов бериллия на будущее можно считать месторождение Спор-Маунтинс (шт. Юта, США).