Текст книги "«Принцы» и «нищие» в царстве минералов"

Автор книги: Лев Барский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц)

Л. А. Барский
«ПРИНЦЫ» И «НИЩИЕ»
В ЦАРСТВЕ МИНЕРАЛОВ

*

Ответственный редактор

доктор геолого-минералогических наук

А. А. ГОДОВИКОВ

Рецензенты:

В. А. ГЛЕМБОЦКИЙ, Б. Н. ЛАСКОРИН

© Издательство «Наука», 1988

Камень сейчас в руках человека – не забава и роскошь, а прекрасный материал, которому мы сумеем вернуть его место; материал, среди которого лучше и веселее жить. Это будет уже не «драгоценный камень», его время прошло! Это будет самоцвет, придающий красоту жизни!

А. Е. Ферсман

Введение

Минералы – интереснейшие изделия природы. Они составляют основу всего неорганического мира и – служат сырьем для производства металлов и почти всех материалов, из которых люди сооружают необходимые им предметы: от домов до космических кораблей. Уголь, имеющий органическое происхождение и являющийся основой энергетики и органического синтеза, называют минеральным топливом и часто тоже относят к минералам.

Когда Вы, читатель, смотрите на созданные природой кристаллы, замысловатые рисунки на отшлифованной поверхности камней, разве Вы не восхищаетесь их сказочной красотой? По своей красоте минералы могут соперничать с самыми замечательными творениями человеческого гения. Так ведь и настоящие цветы красивее самых лучших искусственных.

Благодаря значимости, широкой распространенности, красоте все минералы в совокупности называют царством. Слово это придумано не для красоты слога. Понятие «царство минералов» вошло в книгу Агриколы «De re metallica», изданную еще в 1556 г. Этот термин принят и в современной классификации минералов[1]1
  Годовиков А. А, Минералогия. М.; Недра, 1983.


[Закрыть], по которой они делятся на два подцарства: элементарных веществ и соединений.

О минералах написано множество замечательных книг. Огромной любовью читателей пользуются «Воспоминания о камне» и «Занимательная минералогия» академика А. Е. Ферсмана, изданные почти полвека назад. Есть книги о драгоценных и полудрагоценных минералах, об их красоте и способах обработки. Есть книги о ценных свойствах минералов, в том числе медицинских, о методах поиска и разведки различных полезных ископаемых, об извлечении металлов и других химических элементов, о производстве различной продукции из минералов. Книги об истории открытия минералов и их месторождений составляют особую, занимательнейшую литературу.

Но одной области минераловедения повезло меньше, чем другим, хотя сегодня она является одной из важнейших как в научном, так и в практическом отношении. Вы не найдете в популярной литературе книг об извлечении минералов из их смесей – руд, о способах их разделения, т. е. об обогащении полезных ископаемых. Вслед за французами, обозначившими эту область деятельности mineralurgical, автор назвал ее минералургией[2]2
  Барский Л. А. Основы минералургии. М.: Наука, 1984.


[Закрыть].

Изучением свойств минералов в связи с использованием их минералургией занимается новая ветвь минералогии – технологическая минералогия. Это основа одной из самых крупномасштабных отраслей промышленного производства – обогащения полезных ископаемых. Обогатительные фабрики в настоящее время перерабатывают за год несколько десятков миллиардов тонн полезных ископаемых: руд цветных и черных металлов, минеральных удобрений и угля.

Обогащение полезных ископаемых относится к древнейшим человеческим промыслам. Погоня за золотом, особенно в средние века, привела к изобретению огромного количества самых разнообразных и замысловатых гравитационных аппаратов для извлечения золота из природных смесей. В конце прошлого и начале нынешнего века необходимость извлечения сульфидных минералов меди, свинца, цинка, молибдена и других цветных металлов породила новый универсальный обогатительный процесс – флотацию, основанную на поверхностно-активных свойствах минералов и растворов органических соединений, т. е. способности поверхности минералов смачиваться водой и прилипать к пузырькам воздуха. Для переработки руд железа стали применять магнитные сепараторы.

Сегодня в обогащении полезных ископаемых используются все известные виды излучений: радиоактивные, люминесцентные, лазерные и др.; учитываются химические, механические, поверхностные, магнитные, электрические и другие свойства минералов. Все это позволяет выделить практически любой минерал из любой смеси: в отдельные продукты выделяются уголь или магнетит, составляющие более половины перерабатываемой горной массы, а также алмазы или золото, содержание которых в руде менее грамма на тонну.

Технология разделения минералов, разумеется, учитывает их относительную ценность, которая определяется двумя факторами: свойствами минерала или входящих в него элементов и концентрацией в руде. По мере развития техники возникает потребность в самых неожиданных минералогических формах: есть минералы – полупроводники, минералы с уникальными оптическими свойствами, радиоактивные, поглощающие радиоактивность, природные сорбенты, легирующие и т. д.

Люди все полнее используют многообразные свойства минералов, открывая их новые полезные качества. Еще в 1763 г. М. В. Ломоносов писал: «Ныне уже, любители рудных дел, одарены вы отменным зрением, коим не токмо по земной поверхности, но и в недра ее глубоко проникнуть можете… Пойдем ныне по своему Отечеству, станем осматривать положение мест и разделим к произведению руд способных от неспособных… Дорога будет не скучна, в которой хотя и не везде сокровища нас встречать станут, однако везде увидим минералы, в обществе потребные, которых промыслы могут принести не последнюю прибыль…»

Все чаще находят применение минералы «пустой породы», составляющие отходы обогащения руд и углей. Бывает и так, что «принц» и «нищий» меняются местами. Тогда возникает необходимость в создании новых процессов и аппаратов для выделения минералов, прежде бесполезных. Последовательное выделение всех ценных минералов позволяет создать безотходную технологию, комплексно использовать минеральное сырье.

Процессы разделения минералов и выделения их из смесей приобретают все большее значение по мере роста масштабов добычи и потребления минерального сырья. Запасы полезных ископаемых в земной коре, к сожалению, не безграничны и не воспроизводимы. В сферу промышленного освоения входят все более бедные и труднообогатимые руды, все более тонкие и высокопроизводительные процессы и аппараты требуются для их переработки. От чисто механических, гравитационных процессов обогатители перешли к более сложным – физическим, физико-химическим, химическим. Сейчас происходит освоение новых электронных и биохимических процессов переработки руд.

Если раньше учитывались только такие простые свойства минералов, как внешний вид и плотность, то теперь начаты исследования физико-химических, полупроводниковых и кристаллохимических свойств, взаимодействия с электромагнитными излучениями различных диапазонов. Разрабатываются новые современные методы инструментального анализа: рентгеноструктурные, лазерные, кристаллооптические, люминесцентные и т. п. Возникают задачи техногенного изменения свойств минерала, перевода его в другую модификацию в интересах технологического извлечения. Для этого руду подвергают воздействию бактерий, термообработке, электрообработке и т. д. Минералогия и минералургия все ближе смыкаются друг с другом.

Рождение минералов

Здесь, если их попробовать надрезать,

Еще земные корки горячи,

Горячими ключами и железом

Пропитаны подземные ключи,

Еще печет и варит – не потухла

Вулканов циклопическая кухня

В. Инбер

Ошибка инженера Гарина

В фантастическом романе А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» талантливый изобретатель добывал золото и ртуть, соорудив гигантской глубины шахту, которая достигла слоя амальгамы (раствора золота в ртути). Писатель, предвосхитивший в этом романе изобретение лазеров, считал, что твердая оболочка Земли плавает на амальгаме.

Как же все-таки родились минералы? Миллиарды лет назад, когда Земля представляла собой расплавленную массу, химические элементы начали вступать друг с другом в реакции, образуя различные соединения в соответствии со своим химическим сродством, концентрацией, температурой расплавленной магмы, давлением.

Магма представляет собой огненно-жидкий силикатный расплав, содержащий различные химические элементы – их окислы, сульфиды и другие соединения, а также летучие компоненты – фтор, хлор, водяные пары, углекислый газ и пр. Если магма застывает в глубине земной коры под покровом вышележащих пород, процесс протекает медленно и образуются полнокристаллические зернистые породы. При поднятии магмы к поверхности Земли температура ее быстро падает, давление понижается до атмосферного и от магмы отделяются летучие компоненты. В процессе кристаллизации происходит перераспределение компонентов: образующиеся кристаллы удаляются из магматического очага – опускаются в более глубокие горизонты или всплывают в верхние.

Образование месторождений из магматического очага

Схема образования гидротермальных месторождений

Соединения более прочные и устойчивые, а также образовавшиеся из элементов, имеющихся в большом количестве, выкристаллизовались первыми. Они составили основную массу горных пород. По мере остывания магмы начинали кристаллизоваться и другие минералы, располагаясь между кристаллами основной породы, формируя в них причудливые прорастания, вкрапленности. В процессе образования минералов их кристаллическая решетка часто захватывала в качестве примесей несвойственные данному минералу элементы.

Тяжелые сульфиды железа (пирит и пирротин), меди (халькозин и халькопирит), свинца (галенит), мышьяка (арсенопирит), цинка (сфалерит), кристаллизуясь из расплавленной магмы, опускались вниз, создавая скопления, ставшие впоследствии полиметаллическими рудами. После затвердевания основной части магмы оставшиеся в пей жидкие соединения выжимались из твердой породы к периферии. Так рождались, например, окислы железа и хрома – руды черных металлов.

Когда рудные минералы кристаллизуются раньше силикатов, образуются раннемагматические месторождения, такие, как руды хрома и платиноидов Урала, алмазоносные кимберлиты Якутии. Если отделение рудного расплава от силикатного происходит в жидком состоянии (как в металлургической печи, как бы образуя шлак и штейп), то формируются ликвационные месторождения. К ним относятся медно-никелевые руды Кольского полуострова и Таймыра. Если расплав рудных минералов внедряется в уже застывшие силикаты, заполняя полости и трещины, образуются позднемагматические месторождения, такие, как апатито-нефелиновые на Кольском полуострове и титаиомагнетитовые на Урале.

Эта простая схема рождения руд часто нарушается потоками огнедышащей магмы, которые расплавляют уже застывшие породы, перемешивают их, приносят новые «порции» химических элементов, меняют температуру, а в связи с ней давление и другие условия образования минералов. Рядом со старыми возникают новые соединения, иногда за счет распада старых.

Но и прочно застывшую земную кору магма не оставляет в покое. Она раскалывает ее, врывается в трещины и иногда выплескивается на поверхность в виде лавы вулканов. Воздымания и опускания земной коры приводят к перемещению и перемешиванию горных пород и рудных тел. По трещинам земной коры горячая магма гонит пары и растворы. Они также несут различные элементы, образующие рудные жилы, линзы и т. п. Так рождаются руды, олова, вольфрама, молибдена, бериллия, лития, висмута, ртути, никеля и многие другие.

В соответствии с растворимостью компонентов в воде при различных значениях температуры и давления образуются гидротермальные месторождения. Существенное влияние на растворимость оказывают. кислотность (pH) раствора, присутствие солей, особенно NaCl и Na₂CO₃, а также коллоидные образования. Большинство металлов находится в растворах в виде сложных комплексных соединений.

Внутреннее давление растворов больше внешнего, и растворы движутся к поверхности Земли по различным тектоническим нарушениям – трещинам, зонам контактов. По мере удаления от магматического очага температура понижается и происходит выпадение минералов из гидротермальных растворов. Падение температуры, снижение давления, смена химических условий среды, ветрена гидротерм с подземными водами, реакции с вмещающими породами приводят к выделению минералов из водных растворов.

Высокотемпературные (500–300 °C) гидротермальные минеральные образования располагаются ближе к материнскому магматическому очагу. В телах магмы, внедрившейся в гранитный массив, – интрузиях – располагаются гидротермальные жилы с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, на контактах интрузий с вмещающими породами и даже проникая в них – жилы с сульфидами меди, никеля, свинца, цинка, серебра, затем сурьмы и ртути.

Среднетемпературные гидротермальные месторождения образуются при значениях температуры 300–200 °C на различных глубинах, а также в приповерхностных условиях. В рудообразовании принимают участие газы H₂S, СО₂, F. Эти месторождения имеют большое практическое значение. Из них добывают основную массу цветных металлов (медь, свинец, цинк), значительную часть молибдена и олова, большую часть золота и серебра, урановые руды, а также асбест, магнетит, горный хрусталь, значительную часть плавикового шпата.

Низкотемпературные гидротермальные месторождения образуются при значениях температуры 200–50 °C. Из этих месторождений добывают золото, серебро, ртуть, сурьму, исландский шпат, алунит и барит.

Изменчивы и многообразны процессы, происходящие в результате остывания магмы. Они создают тысячи видов минералов – от единичных драгоценных кристаллов аквамаринов и изумрудов до бесчисленных песчинок кварца. Но этим не заканчивается образование руд и минералов. На поверхности Земли ветер, вода, колебания температуры разрушают образовавшиеся в земной коре минералы и создают новые. Здесь идет «испытание» химических соединений на устойчивость к окислению, растворению, колебаниям температуры. Самые стойкие образуют россыпи. Благородное золото, окись титана (рутил), силикат циркония (циркон) вместе с песчинками кварца собираются в долинах рек и на берегах морей.

На дно морей и озер выпадают мел и известняк (минералы кальция), соли калия, натрия и магния, окислы железа, частички глины. Из них формируются руды солей, известняка, огнеупоров, железа и алюминия. Погребенные под слоем земли остатки растений и животных образуют пласты угля и нефти.

Все эти месторождения могут вновь опуститься в недра Земли и там подвергнуться новым воздействиям магмы, а могут подняться на вершины гор.

Родные и знакомые

Распространенность элементов в земной коре в некотором роде характеризует их «дефицитность». Главными считают химические элементы, присутствующие в природных образованиях в количестве свыше 1 %, второстепенными – 0,1–1 %, микроэлементами – прочие, распространенность которых менее 0,1 %.

Существует классификация элементов по химическому сродству. Наибольшее число элементов литосферы, имеющих химическое сродство к кислороду, образует группу оксифильных. Эта группа включает главные элементы литосферы, являясь основой вещества земной коры (подгруппа литофильных элементов): О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. Часть оксифилов, имеющих тенденцию накапливаться вместе с железом, выделяется в подгруппу сидерофильных элементов: Fe, Ni, V.

Группа сульфофильных объединяет элементы, имеющие повышенное химическое сродство к сере: Си, Zn, As, Mo, Pb, Bi. Эти элементы присутствуют главным образом в виде сульфидов, имея тенденцию накапливаться вместе с серой в сульфидных месторождениях. Отдельную группу составляют благородные металлы, включающие платиноиды, серебро и золото, которые встречаются в природе преимущественно в самородном виде.

Распространенность элементов в земной коре

Микроэлементы трех перечисленных групп делятся на минералогеипые и рассеянные. Минералогенпые элементы (например, тантал, бериллий, селен, теллур и др.) даже в случае ничтожного среднего содержания их в земной коре образуют большое число собственных минералов. Часть атомов минералогенных микроэлементов находится и в рассеянном состоянии, присутствуя в виде примесей в кристаллических структурах других минералов.

Рассеянные элементы либо совсем не образуют собственных минералов, присутствуя в структурах минералов других элементов в виде изоморфной примеси, либо образуют минералы, встречающиеся в природе чрезвычайно редко. Рассеянное состояние является следствием близости размеров и химических свойств их атомов и ионов к какому-либо из широко распространенных элементов, Типичными парами являются алюминий – галлий, калий-рубидий, кремний – германий, цирконий – гафний. Некоторые рассеянные элементы благодаря особенностям строения их атомов имеют двойственную природу и могут рассеиваться как в кислородных соединениях, так и в сульфидах (галлий, германий и таллий).

Гидрофильные элементы характерны для гидросферах и в большинстве своем составляют анионную часть химических соединений, присутствующих в водных растворах. Элементы атмосферы и газовой составляющей твердой литосферы образуют группу атмофильных элементов, большая часть которой представлена благородными газами.

Химические элементы в горных породах распределены неравномерно. Отклонения содержания от среднего в сторону уменьшения характеризуют рассеяние элемента, а отклонения в сторону увеличения – его концентрации Процессы рассеяния и концентрации химических элементов в земной коре осуществляются в результате миграции атомов под воздействием внутренних сил Земли, определяющих формирование коры земного шара, – эндогенные процессы миграции, или внешних сил, возникающих на поверхности Земли при взаимодействии литосферы, атмосферы и гидросферы, – экзогенные и гипергенные процессы миграции.

В геохимии существует понятие «кларк» – среднее содержание элемента в земной коре (кларк кислорода 46,60; кремния – 27,72). В. И. Вернадский ввел понятие «кларк концентрации» – отношение среднего содержания элемента в отдельном месторождении к кларку этого элемента в земной коре. Пользуясь этими понятиями, руду можно определить как образование, в котором кларк концентрации некоторого элемента достигает числа, достаточного для рентабельного его извлечения (см. таблицу).

Природные геохимические аномалии с концентрацией отдельных химических элементов или минералов, достаточной для экономически выгодного использования, являются месторождениями полезных ископаемых. Концентрации химических элементов в промышленных месторождениях обычно превышают их среднее содержание в земной коре в десятки и сотни тысяч раз.

Некоторые элементы, которые играют важную роль в экономике и давно известны, в действительности достаточно редки. Например, медь менее распространена, чем цирконий, распространенность свинца сравнима с распространенностью галлия, а ртуть встречается реже, чем любой из редкоземельных элементов. Вместе с тем относительно распространенными являются некоторые малоиспользуемые элементы: рубидия в природе больше, чем никеля, ванадий значительно более распространен, чем олово, скандий – чем мышьяк, а гафний, один из последних открытых элементов, более распространен в природе, чем йод.

Доступность элемента для извлечения в значительной степени зависит от его способности образовывать индивидуальные минералы. Наиболее трудно извлекаются рассеянные элементы: индий, рубидий, галлий, гафний, рений и др. Рассеянных элементов гораздо больше, чем концентрирующихся в рудных месторождениях.

Магний извлекают из морской воды, где его концентрация 0,13 %, и соляных отложений карналлита, выпавшего в осадок из морской воды, хотя имеются громадные по запасам месторождения оливина, содержащего около 13 % магния, но извлечение магния из оливина гораздо труднее и дороже. Иногда использование определенных редких элементов обусловлено не только их Полезными свойствами, но и возможностью их попутного получения при добыче более распространенных элементов.

В земной коре в настоящее время установлено около 2500 самостоятельных минеральных видов и более 7000 разновидностей. По распространенности минералы делятся на пять групп:

1. Очень распространенные, основные составные части большинства горных пород (полевые шпаты, кварц, слюды, кальцит и др.).

2. Распространенные, существенные составные части редких горных пород или входящие в большинство горных пород в незначительных количествах (апатит, нефелин, лейцит и др.).

3. Среднераспространенные, непородообразующие, но встречающиеся в большинстве месторождений полезных ископаемых в составе руд (пирит, халькопирит, галенит, ильменит и др.).

4. Редкие, встречающиеся в сравнительно небольшом количестве месторождений или в небольших концентрациях (самородное золото, серебро, сильвин, витерит, минералы бериллия, тантала и др.).

5. Очень редкие, известные лишь в единичных точках земного шара и в небольших количествах (криолит, германит и др.).

Химические элементы в процессах геохимической миграции подчиняются закономерностям химических равновесий.

Широко распространена изоморфная форма геохимического распределения элементов. Изоморфией называется способность атомов и ионов химических элементов замещать друг друга в кристаллических решетках при условиях близости размеров составляющих кристаллическую решетку атомов, ионов и их групп, тождества знака заряда и относительно близких величин их поляризации. Изоморфия природных соединений определяет сходство химической формулы, близость геометрического типа структуры решетки и типа химической связи. Состав даже самых простых бинарных соединений по результатам анализа оказывается значительно более сложным, чем это следует из формулы соединения. Например, ZnS (сфалерит) может содержать примеси Fe, Мn, Cd, Ga, Ge, Sn, Se. Нередко минералы можно представить как бы состоящими из смеси двух или трех соединений – смешанных кристаллов. Например, плагиоклазы представляют собой смесь альбита Na[AlSi₃O₃] и анортита Ca[Al₂Si₂O₈].

Изоморфные ряды перемещаются и изменяются при изменении значений температуры и давления. Изоморфный природный ряд имеет более сложный характер, чем изоморфный ряд в химии, так как соответствует условиям не только физического, по и геологического и генетического характера.

Образование природных изоморфных составов минералов определяет геохимическая среда. При недостаточной концентрации какого-либо элемента или их группы для образования свойственных этим элементам решеток требуются другие, но определенные элементы. Например, в щелочных расплавах, богатых Р₂О₅, но отличающихся недостатком Са, в решетку апатита попадают TR, Mg, компенсируя недостаток Са. Их содержание в таких апатитах достигает нескольких процентов, в то время как в апатитах, образующихся в геохимической среде с избытком Са, изоморфные примеси присутствуют в ничтожных количествах.

При изменении термодинамических условий происходит не только образование изоморфных соединений, но и их распад.

При высоких значениях температуры в кристаллическую решетку минералов может входить большое число изоморфных примесей и в большем количестве, чем при низких. Распад высокотемпературных изоморфных соединений происходит при более низких температурах: например, распад частично изоморфной смеси калинатровых полевых шпатов на KAlSi₃O₈ и NaAlSi₃O₈ при понижении температуры. Высокотемпературные генерации минералов, область кристаллизации которых охватывает значительный температурный интервал, обладают большим числом примесей по сравнению с низкотемпературными, как правило, являющимися более чистыми. Это явление А. Е. Ферсман назвал автолизацией (самоочисткой).

В. И. Вернадский писал, что в каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности по мере увеличения тонкости наших исследований мы открываем все новые и новые элементы. Рассеяние атомов элементов характерно не только для газов или водных растворов, но и для твердого вещества, системы кристаллических решеток. Рассеяние имеет свои пределы, различные для разных элементов, и зависит от особенностей строения атомов и от внешних термодинамических условий. Для так называемых «малых» или «редких» элементов частичный изоморфизм является единственной формой нахождения в природе в связи с незначительной их распространенностью. Основная часть их атомов, если не исключительно все, находится в земной коре в состоянии рассеяния. Это, во-первых, типичные элементы рассеяния Sc, Ga, Hf, In, Rb, Вr, I, во-вторых, радиоактивные элементы.

Значительная часть довольно распространенных и редких элементов тоже находится в состоянии рассеяния. Так, значительная часть иттрия и редких земель находится в апатите, сфене и флюорите, изоморфно замещая кальций; трехвалентиый ванадий замещает в магнетите окисное железо; селен – серу в пирите. Одни и те же химические элементы могут образовывать самостоятельные минеральные виды, изоморфно замещать другие элементы в кристаллических решетках и находиться в состоянии рассеяния, например TR, Be, Mg, Fe, Al, Nb, Та, V, Th.

В процессе накопления осадков, при тектонических нарушениях в земной коре и движении магмы образуются определенные группы месторождений. Закономерности размещения элементов приводят к совместному нахождению определенных минералов и горных пород, возникшему в результате одновременного или последовательного образования, – парагенезису.

Парагенезис имеет большое значение для поисково-разведочных работ и оценки месторождений полезных ископаемых. Если в дунитах, например, встречен хромит, то возможно нахождение в них и платины. Если габбро содержит пирротин FeS_n и халькопирит CuFeS₂, то в них может присутствовать и пентландит (Fe, Ni)₉Ss. В гранитных пегматитах, содержащих кристаллы литиевого минерала сподумена, следует искать касситерит SnO₂. В месторождениях прожилково-вкрапленных руд наряду с сульфидами меди может находиться в промышленных количествах молибденит. В колчеданных пиритных рудах, помимо основных промышленных элементов Си, Au, Ag, S, постоянно присутствуют Zn, Cd, As и др., поэтому необходима комплексная переработка таких руд. Для латеритов характерно наличие в железной руде цепных примесей – никеля и хрома, позволяющих использовать их как природно-легированные руды.