ЛЕКЦИЯ 8. РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ
МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЛИТИЯ
Свойства и применение
Открыт в 1817 г. Серебристо-белый металл. Плотность 0,53 г/см3.
Тплавления=186°С, Ткипения=1317°С.
Мягче свинца, ковок и тягуч, образует сплавы. Характерно сродство Li с O, H, N, S.
Применение:
используется для производства сплавов (сверхлёгких и жаропрочных) с Al, Mg и Be. составные элементы специального топлива для ракет.Занимает 3-е место в таблице . Атомная масса 6,94. Состоит из двух процентно стабильных изотопов: 6Li и 5Li.
Геохимически рассеивается в породообразующих минералах. Концентрируется в гранитах. Типичный литофильный элемент.
Среднее содержание в 3К – 0,0032%.
Накапливается в остаточных пегматитовых расплавах в ассоциации с (Na, K, Be, Cs, Rb), образуя сподумен, петалит, амблигонит, лепидолит и др.
Связан с щелочными пегматитами и метасоматитами (полилитионит, гервингит, тайниолит, криолитионит).
В грейзеновых месторождениях лития меньше (минералы – циннвальдий и лепидолит).
В зоне гипергенеза литий мигрирует, выносится и рассеивается. Накапливается в морских бассейнах, содержание Li в морской воде – 0,00002%. Концентрируется в глинах и глинистых сланцах.
Содержание лития в рапе озёр более высокие (0,009%), которые служат его источником.
Таким образом, главные источники лития гранитные пегматиты, грейзеновые месторождения, рапа соляных озёр и подземные минерализованные воды.
Промышленные минералы и типы руд
Всего известно 19 минералов, из них промышленные:
Сподумен Li, Al[Si2O6]
Петалит (Li, Na)AlSi4O11
Амблигонит LiAl[PO4](F, OH)
Лепидолит Kli1,5Al1,5[Si4O10][F, OH]2
Циннвальдит KLiFeAl[Si3AlO10][F, OH]2
Эвкриптит Li[AlSiO4].
Среднее содержание Li в рудах 0,4-1%, в концентрате Li2O до 8%.
Металлогения
Докембрий – на древних платформах пегматиты связаны с гранитами (Канадский щит, Африканская платформа). Герцинский цикл – образовались гранитные батолиты поздней стадии, с которыми связаны сподуменовые пегматиты (Северная Каролина в пегматитовом поясе Аппалагей, Казахстан, Россия и др.). Альпийские пегматитовые месторождения (Афганистан). Кайнозой – литий концентрировался в минерализованных водах.Промышленные типы месторождений
Категории запасов:
Крупные месторождения - более 500 тыс. т.
Средние - 100-500 тыс. т.
Мелкие - < 100 тыс. т.
Примеры месторождений.
Известные крупные районы:
США (Кингс-Маунтин в штате Северная Каролина, Блэкс-Хилс в штате Южная Дакота); Канада (Берник-Лейк); Зимбабве (Бикита); Намибия (Карибиб) и др.Наиболее перспективны альбит-сподуменовые пегматиты. Запасы достигают 1 млн. т. при содержании Li2O – 1,5%.
Месторождение Кингс-Маунтин раположено в касситерит-сподулевом поясе (штат Северная Каролина), который имеет длину 45 км и ширину 3-4 км. Здесь сотни пегматитовых жил среди сланцев, гнейсов и кварцевых монценитов.
Размеры жил (средние): длина 500-550 м, мощность ≈ 10 м. Содержание сподумена в жилах 13-38%. Среднее содержание: Li2O - 1,31%. Запасы Li2O - 1517 тыс. т.
Запасы, добыча и потребление
Ресурсы - 28,5 млн. т. (пегматиты - 50%, минеральные воды - 50%).
Запасы - 6,3 млн. т. (США, Зимбабве, Канада и др.).
Годовое производство лития и его продуктов в 1980 году составляло - 54,5 т (Сев. Америка, Зап. Европа, Япония и др.).
Потребители (США, Зап. Европа, Япония).
Стоимость: 1 т. сподуменового концентрата 150-200 $; 1 кг металлического Li - 50 $.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ РУБИДИЯ И ЦЕЗИЯ
Свойства и применение
Оба элемента имеют серебристо-белый цвет.
Плотность: Rb - 1,53 г/см3;
Cs - 1,90 г/см3.
Имеют чрезвычайно высокую химическую активность, характеризуются фотоэлектрическим эффектом и каталитическими свойствами.
Применение:
а) производство фотоэлементов, вакуумных ламп;
б) изготовление электронно-оптических преобразователей и сцинтилляционных счётчиков;
в) стекольная и керамическая промышленность;
г) в качестве катализаторов;
д) пиротехника, медицина и др.
Геохимические особенности
Rb - 37-е место в таблице , атомная масса 85,47.
Cs - 55-е место в таблице , атомная масса 132,9.
Степень окисления +1.
Среднее содержание в 3К: Rb - 0,015%;
Cs - 0,00037%.
Содержание в гранитах больше, чем в основных и средних породах.
Типичные литофильные элементы. Связаны с породообразующими минералами. Рубидий не образует собственных минералов, а цезий представлен поллуцитом.
В зоне гипергенеза являются подвижными элементами, выносятся в моря и океаны.
При химической седиментации изоморфно входят в калий-магниевые хлориды.
В повышенных количествах отмечаются в рапе соляных озёр и подземных минерализованных водах.
Промышленные минералы и типы руд
Рубидий. Собственных минералов нет. Входит изоморфно в другие минералы:
Лепидолит - 1,5-4% Rb2O
Циннвальдит - 1-2% Rb2O
Карналлит - 0,01-0,03% Rb2O.
Цезий имеет 5 собственных минералов: поллуцит, авогадрит, цезиевый биотит, воробьевит и цезий куплетский.
Главные минералы:
Поллуцит - Cs[AlSi2O6]
Лепидолит - (0,4-1% Cs2O).
Основные типы руд:
гранитные редкометальные пегматиты, в которых Rb2O 0,1-0,5%, Cs2O 0,1-0,6%.
Рубидий также извлекается из циннвальдита грейзеновых месторождений. Кроме того, оба элемента получают из термальных вод.
Промышленные типы месторождений
Типы месторождений рубидия:а) комплексные редкометалльные гранитные пегматиты (65% добычи);
б) месторождения карналлитовых солей, содержащих рубидий (25% добычи).
Типы месторождений цезия:гранитные пегматиты (95% добычи).
Запасы, добыча и потребление
Запасы ≈ 100-120 тыс. т. каждого металла. Главные запасы Cs в пегматитотовых месторождениях:
Берник-Лейк (Канада)
Бикита (Зимбабве)
Карибиб (Намибия).
Средняя годовая добыча: Cs (десятки т.)
Rb (тонны).
Основные потребители: США, Зап. Европа, Япония, Россия.
Стоимость: 1 кг Rb - 700 $.
1 кг Cs - 250-800 $.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ
Свойства и применение
Изумруд известен давно.
Be - серебристо-серый металл. Плотность - 1,85 г/см3. Тплавления=1283°С, Ткипения=2970°С.
Это твёрдый, лёгкий металл, хрупкий, жаростойкий, коррозионностойкий.
Образует сплавы с другими металлами.
Применяется в атомной, авиационной и ракетно-космической технике, радиоэлектронике, в производстве телевизионного оборудования.
Геохимические особенности
В таблице - 4-е место, атомная масса 9,01. Известно 5 изотопов, из которых стабильный с массой 9. Степень окисления - +2. Образует сложные комплексные соединения.
Имеет близкие ионные радиусы Be+2 и Si+4, поэтому входит в решётку силикатов, образует также гетеровалентные озоморфные замещения.
Среднее содержание в 3К - 0,00038%. Концентрации в гранитах, накапливается в остаточных магматических расплавах, концентрируется в плагиоклазах и мусковите.
Связан:
а) с гранитными пегматитами;
б) грейзеновыми месторождениями.
С кислыми породами ассоциируют берилл и бертрандит (фенакит, эвклаз), в ультраосновных и основных породах - берилл и фенакит (изумруд, хризоберилл и др.).
В скарново-карбонатно-грейзеновых месторождениях главные минералы - бертрандит, гельвин, даналит и др.
В гидротермальных месторождениях - (бертрандит, гельвин и берилл).
Перенос Be - в виде комплексных соединений (с Fe, Na, K).
В зоне гипергенеза часть бериллия растворяется в водах и он мигрирует.
Наиболее значительные концентрации Be в пегматитовых и постмагматическихместорождениях в связи с нормальными и щелочными гранитами, щелочными и нефелиновыми сиенитами [ ].
Промышленные минералы и типы руд
Всего 58 минералов (из них 8 гипергенных).
Основные минералы (промышленные):
Берилл Be3Al2[Si6O18] (в пегматитах и грейзенах)
Гельбертрандит Be4[Si2O7][OH]2⋅nH2O
Бехоит Be(OH)2 (гидротермальные
Бертрандит Be4[Si2O7][OH]2 месторождения)
Распространённые минералы:
Хризоберилл Al2BeO4
Фенакит Be2SiO4
Гадолинит (TR, Ca)2FeBe2[SiO4]2(O, OH)2 и др.
Типы руд:
а) гранитные пегматиты с бериллом;
б) грейзеновые месторождения;
в) высокотемпературные метасоматические сложного состава (бертрандит, фенакит, бавенит и др.);
г) бертрандит-гельбентрандитовые руды в вулканических туфах.
Руды обычно комплексные (BeO до 1%). Вначале получают бериллиевые концентраты, а из концентратов - металлический бериллий.
Из бертрандит-гельбентрадитовых руд Be извлекается гидрометаллургическим путём.
Металлогения
Архей-протерозой - сформировались пегматитовые месторождения с бериллом (50% запасов). Каледонский, герцинский и киммерийский циклы - пегматитовые и грейзеновые месторождения (37% запасов). Альпийский цикл - гидротермальные бертрандитовые месторождения (13% запасов).Промышленные типы месторождений
комплексные редкометалльные пегматитовые месторождения с бериллом (Бразилия, Россия, Казахстан, США, Мозамбик); комплексные грейзеновые молибденит-вольфрамит-берилловые месторождения (Зап. Европа, Казахстан и др.); грейзеновые эвклаз-бертрандит-берилловые месторождения минерализационных зон дробления (Редскин Шток (США), СНГ и др.); слюдисто-флюорит-берилловые месторождения минерализованных зон дробления (СНГ, Колумбия). бавенит-фенактитовые штокверковые месторождения (Россия); бертрандитовые пластообразные месторождения в туфах (Спёр-Маунтин и др. (США));Главный источник Be - гранитные пегматиты (57% запасов, 70% добычи).
Категории запасов:
Крупные - более 10 тыс. т.
Средние - 1-10 тыс. т.
Мелкие - до 1 тыс. т.
Примеры месторождений.
Первый тип. Комплексные редкометалльные пегматитовые месторождения (с бериллом).
Пегматитовые месторождения известны в Бразилии, Аргентине, Африке, России, Казахстане и др. Самые крупные докембрийские месторождения известны в Бразилии.
Северо-восточный район Бразилии.
Вмещающие породы - осадочные и метаморфические докембрийского возраста, прорваны гранитами и пегматитами рифейского и послерифейского времени. Длина жил - до 1000 м, мощность до 10-100 м. По форме жилы плито- и линзообразные, крутопадающие, прослеживаются на большую глубину. Минеральный состав:а) породообразующие - кварц, полевой шпат, биотит, мусковит, шерл.
б) рудные минералы: берил, касситерит, танталит, сподумен, амблигонит, лепидолит и др.
Берилл образует огромные кристаллы, скопления которых достигают 50 - 100 т. Месторождения комплексные - Ta - Nb - Li - Be.Содержание BeO - 0,01-0,3%.
Запасы, добыча и потребление
Запасы BeO 1178 тыс. т. (из них 994 тыс. т. в пегматитах и 184 тыс. т. в других месторождениях) - Бразилия, США, Аргентина, Зимбабве и др.
Ежегодная добыча берилла - 3500 т.
Потребители: США, Япония и Зап. Европа.
Главный экспортёр - Бразилия.
Цена 1 кг металлического бериллия - 150-200 $.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТАНТАЛА
Свойства и применение
Впервые получен в 1903 г. Плотность - 16,6 г/см3. Тплавления=2996°С, Ткипения=5300°С. Является одним из самых тугоплавких металлов.
Применение:
а) электровакуумная техника;
б) легирование сталей и сплавов;
в) машиностроение;
г) химическая промышленность;
д) для производства электролитических конденсаторов (для ракетной и космической техники).
Геохимические особенности
В таблице - 73-е место, атомная масса 180,948.
Представлен двумя стабильными изотопами с атомной массой 180 и 181. По свойствам близок к Nb. Степень окисления: +5.
Среднее содержание в 3К - 0,00025%, его больше в кислых породах, чем в ультраосновных и основных.
Распространение:
а) в редкометалльных пегматитах;
б) в постмагматических месторождениях (альбитизированных гранитах);
в) в грейзеновых месторождениях.
В зоне гипергенеза мигрирует механическим путём, концентрируется в корах выветривания и россыпях.
Промышленные минералы и типы руд
Известно 37 минералов (все оксиды):
Танталит - (Mn, Fe)(Ta, Nb)2O6
Воджинит - (Ta, Sn, Mn, Nb)2O4
Тапиолит - Fe(Ta, Nb)2O6
Микролит - (Na, Ca…)2(Ta, Ti…)2O6[F, OH].
Основные типы руд:
а) гранитные пегматиты (Ta2O5 0,01-0,03%);
б) альбитизированные граниты (Ta2O5 0,013-0,018%);
в) коры выветривания пегматитов и щелочных гранитов (Ta2O5 - тысячные доли %);
г) россыпи.
Металлогения
Месторождения в кислых гранитоидах представлены пегматитами и метасоматитами (42,5% запасов).
Месторождения в щелочных гранитах и нефелиновых сиенитах (57,5% запасов).
По возрасту месторождения подразделяются на:
Докембрийские (41% запасов). Каледонские (15% запасов). Герцинские (36% запасов). Киммерийские и альпийские (8% запасов).Промышленные типы месторождений
Категории по запасам:
Крупные Ta2O5 - > 2,5 тыс. т.
Средние - 1-2,5 тыс. т.
Мелкие - < 1 тыс. т.
Примеры месторождений.
Первый тип. Комплексные редкометалльные пегматитовые месторождения.
Наиболее крупные - сподумен-альбитовые и альбитовые пегматиты. Развиты в Бразилии, Австралии, Африке, Канаде, Казахстане и др.Месторождение Берник-Лейк (Канада) - одно из крупных в мире.
Вмещающие породы - докембрийские вулканогенно-осадочные и гранитоиды (площадь 8,1 км2).
Рудное тело - в виде плитообразной залежи мощностью 75 м, зонального строения. От края к центру жилы выделяются в следующие зоны:
а) блоковая микроклин-пертитовая;
б) сподуменовая;
в) лепидолитовая;
г) поллуцитовая;
д) центральная с содержанием Ta2O5 - 0,218-0,27%. Мощность этой зоны 45 м, ширина 111,3 м, протяжённость 3,7 км.
Запасы, добыча и потребление
Запасы Ta2O5 - 110 тыс. т. (Заир, Бразилия, Мозамбик, Австралия, Таиланд и др.).
Ежегодная добыча - 1000 т. танталового концентрата. Поставщики: Канада, Бразилия, Мозамбик, Австралия и др.
Потребители: США, Зап. Европа, Япония.
Стоимость:
а) 1 кг Ta2O5 в концентрате 70-80 $.
б) 1 кг металлического тантала в порошке - 125 $.
в) 1 кг в прутиках ≈500 $.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЦИРКОНИЯ
Свойства и применение
Блестящий металл, плотность 6,5 кг/см3. Тплавления=1852°С, Ткипения=3577°С.
Пластичный металл, поддаётся прокатке, стойкий против коррозии. Образует сплавы.
Используется:
а) для изготовления конструкций атомных реакторов;
б) в чёрной и цветной металлургии для производства чугуна и стали;
в) в огнеупорной и керамической промышленности;
г) для производства стекла, эмали и др.;
д) светотехника, медицина и др.
Геохимические особенности
В таблице - 40-е место. Имеет 5 устойчивых изотопов. Степень окисления - +4.
Типичный литофильный элемент.
Среднее содержание в 3К - 0,-017%, больше всего в щелочных породах - 0,038%.
Геохимическая история аналогична щелочноземельным элементам. Концентрация Zr происходит в кислых и щелочных гранитах, нефелиновых сиенитах и ультраосновных щелочных породах.
В гранитах накапливается в виде циркона. В щелочных гранитах концентрируется в пегматитах (с цирконом) и в жильных бадделитовых месторождениях.
Высокие концентрации циркона в рудах жильных апатит-урановых месторождений. При гипергенезе циркон устойчив и накапливается в корах выветривания и россыпях.
Промышленные минералы и типы руд
Всего - 60 минералов, промышленные:
Циркон - ZrSiO4 Бадделеит - ZrO2
Циркон характерен для пегматитов и метасоматитов.
Бадделеит концентрируется в карбонатитах и гидротермальных жильных месторождениях в щелочных гранитах.
Типы руд:
цирконовые пески (ZrO2 - несколько %); бадделеитовые руды (ZrO2 - 20-30%).Металлогения
Большинство месторождений связаны с щелочными породами.
Месторождения образовались:
а) в орогенную стадию (редкометалльно-альбитовые);
б) в процессе тектоно-магматической активизации древних платформ и складчатых поясов (редкометалльно-альбитовые, карбонатитовые и жильные).
Платформенные месторождения содержат 93,3% циркония, а геосинклинальные - 6,7%.
Промышленные типы месторождений
Главный тип - россыпи циркона (Австралия, Индия, США, Россия и др.) 73% запасов, 95% добычи.
Второстепенные месторождения:
а) бадделеитовые жильные месторождения;
б) редкометалльно-карбонатитовые (С бадделеитом).
Примеры месторождений.
Прибрежно-морские россыпи восточного побережья Австралии (90% добычи). Мощность пляжевых россыпей - до 10 м.
Россыпи комплексные (ильменит, циркон и рутил).
Содержание их в россыпи - 1-2%. Запасы тяжёлых минералов: 16176 тыс. т.
Титан циркониевые россыпи известны на русской платформе (Россия), погребённые в мезо-кайнозойских осадках.
Запасы, добыча и потребление
Запасы циркона + бадделеита 25-30 млн. т. (США, Индия, Бразилия, Австралия). Ежегодное производство цирконового концентрата - 450-520 тыс. т.
Главный поставщик - Австралийский Союз, потребители - США, Зап. Европа и Япония.
Производство - губчатого циркония 3,5-4 тыс. т. (США, Канада, Франция). 90% металлического циркония идёт для реакторов АЭС.
Стоимость: 1 т. цирконового концентрата 200-300 $. 1 кг цирконовой губки 20 $. 1 кг циркония 50 $.
