Тема 1. Введение. Общие сведения о полезных ископаемых

Ключевые слова: Полезное ископаемое. Минеральное сырье. Минеральные ресурсы. Горючие ископаемые. Неметаллические ископаемые. Металлические ископаемые. Черные металлы. Цветные металлы. Руда. Стратегические полезные ископаемые. Ценные компоненты. Вредные компоненты. Токсичные компоненты. Комплексные руды. Коренные руды. Горно-геологические условия. Кондиции

Полезным ископаемым называется минеральное вещество, которое может быть эффективно использовано в практических целях. Полезное ископаемое – понятие не только геологическое, но в значительной степени технологическое и экономическое. Значимость и ценность минерального сырья² и содержащегося в нем полезного компонента меняется со временем. По мере развития технологий обогащения и переработки, появления спроса минеральное вещество, ранее не представлявшее интереса, становится полезным ископаемым. Например, кремень, использовавшийся в каменном веке для изготовления орудий труда, в настоящее время не является промышленно значимым полезным ископаемым. Соотношение цен на металлы в бронзовом веке было равно: Au:Fe=1:5. Нефть стала важнейшим полезным ископаемым лишь в конце XIX века, природный газ со второй половины XX века. До начала XIX века не существовало технологий получения изделий из платины, и платина не являлась полезным ископаемым. Урановые руды в XIX веке использовались как черный пигмент и не представляли значительной ценности. Развитие социума сопровождается ростом потребления минеральных ресурсов. На заре человечества потребности в минеральных ресурсах исчерпывались кремнем и минеральными красками. В настоящее время в кадастре месторождений России указано более 300 видов полезных ископаемых.

Совокупность полезных ископаемых составляет понятие минеральные ресурсы, которые являются основой для развития промышленного производства (энергетики, металлургии, химической промышленности, стройиндустрии). Ресурсы практически всех полезных ископаемых являются ограниченными и невозобновляемыми. Скорость их воспроизводства в ходе геологической эволюции в тысячи раз отстает от темпов отработки месторождений, что вызывает необходимость бережного отношения при добыче, переработке и использовании полезных ископаемых.

По физическому состоянию полезные ископаемые делятся на твёрдые (угли, руды, нерудные ископаемые), жидкие (нефть, воды различного назначения) и газообразные (природные горючие и инертные газы). Полезные ископаемые по химическому составу, технологии переработки или использования могут быть подразделены на: а) топливно-энергетические (нефть, природный газ, ископаемый уголь, горючие сланцы, торф, урановые руды); б) металлические, являющиеся сырьевой основой для металлургии (руды железа, марганца, меди, свинца, никеля, вольфрама и др.); в) горно-химические (фосфориты, калийные соли, барит, борные руды и др.); г) индустриальные (поделочные, технические и драгоценные камни: мрамор, гранит, яшма, горный хрусталь, гранат, алмаз и др.); д) природные строительные материалы (пески, глины и др.); е) гидроминеральные (воды питьевые, технические, минеральные, бальнеологические, термальные и др.); ж) гелий.

По значимости полезные ископаемые могут быть разделены на две группы: обеспечивающие развитие человечества и обеспечивающие существование человечества. Несомненно, человечество получило бы иной вектор развития, если бы на смену орудиям труда из дерева и кости не пришли каменные орудия, а затем изделия из меди, бронзы и железа. Десятки тысяч лет люди обходились без вольфрама и гелия. Но уже для неандертальцев был необходим огонь, а значит природные энергоносители. Физическое существование цивилизации не возможно без потребления энергии.

Горючие полезные ископаемые³ используются для производства электроэнергии и тепла в промышленных масштабах, моторных топлив и масел, сырья для оргсинтеза.

Горно-химические и индустриальные ископаемые, а также природные строительные материалы относят к неметаллическим полезным ископаемым. Неметаллические ископаемые используются для получения химических соединений (например, минеральных удобрений), их применяют и без разделения на химические элементы (галит (NaCl), флюорит (CaF₂), песок, мрамор, гранит, драгоценные, поделочные и технические камни⁴, которые обладают теми или иными полезными свойствами: твердостью, тугоплавкостью, электроизоляционными, оптическими, декоративными, пьезоэлектрическими и др.).

Металлическими полезными ископаемыми называются ископаемые, из которых при промышленной переработке извлекают черные⁵ и цветные⁶ металлы. На основании близости физико-химических свойств и др. признакам цветные металлы разделены на группы: легких, тяжелых, благородных, тугоплавких, рассеянных, редкоземельных, редких и радиоактивных.

Лёгкие металлы (Al, Mg, Ca, Na, литий, рубидий, цезий, бериллий) химически весьма активны. К тяжёлым цветным металлам относят Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg.

Благородные металлы: золото, серебро и металлы платиновой группы (МПГ – платина, иридий, осмий, палладий, родий, рутений), получили своё название благодаря высокой химической стойкости и красивому виду в изделиях.

Тугоплавкие металлы: цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден, вольфрам плавятся при высоких температурах (до 3410°С для W) и образуют тугоплавкие соединения с рядом неметаллов (карбиды, нитриды, силициды, бориды, берриллиды).

Рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур, рений большей частью находятся в форме изоморфной примеси в минералах других элементов и извлекаются попутно из руд, углей, солей, фосфоритов и т. д., отходов металлургического и химического производства (например, при производстве глинозёма (Al₂О₃) попутным компонентом может быть Ga; In извлекается из отходов производства Zn и Рb).

Для руд редкоземельных металлов: скандия (Sc), иттрия (Y), лантана (La) и лантаноидов (14 элементов) характерно совместное нахождение в природе в небольших концентрациях. Образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды (которые до начала XIX в. назывались «землями»).

Редкие металлы условное название группы металлов (около 35) ограниченно используемых в технике (литий, рубидий, цезий, бериллий и др.).

Радиоактивные элементы - химические элементы, все изотопы которых радиоактивны. Из природных радиоактивных элементов только торий и уран имеют периоды полураспада сравнимые с возрастом Земли. Поэтому торий и уран сохранились на нашей планете со времён её формирования и являются первичными радиоактивными элементами.

Распределение металлов на перечисленные группы условно. Многие металлы могут быть отнесены к нескольким группам одновременно. Так Rb, Cs — и лёгкие и рассеянные; Re — рассеянный и в то же время тугоплавкий металл; а тугоплавкие металлы V и Hf — рассеянные элементы и т. д.

Различают также рудные и нерудные ископаемые. Руда⁷ - природное минеральное образование, содержащее полезные компоненты в таких соединениях и концентрациях, при которых их промышленное извлечение технически возможно и экономически целесообразно. К руде относятся, как металлические ископаемые, так и некоторые виды неметаллического минерального сырья, например, баритовая, графитовая, асбестовая, агрономическая руда.

Полезные ископаемые добыча, которых обеспечивает безопасность государства, называются стратегическими. Правительством России определены 29 видов стратегических полезных ископаемых: нефть, природный газ, бокситы, руды урана, марганца, хрома, титана, меди, никеля, свинца, молибдена, вольфрама, олова, циркония, тантала, ниобия, кобальта, скандия, бериллия, сурьмы, лития, германия, рения, редкие земли иттриевой группы, золото, серебро, МПГ, алмазы, особо чистый кварц.

При разработке и переработке полезного ископаемого существенное значение имеют качество, трещиноватость и кусковатость руд, их физико-механические свойства (твёрдость, прочность, пористость, плотность, температура плавления, магнитные, электромагнитные, электропроводные, радиоактивные), сорбционные свойства, растворимость и проч.

Качество полезного ископаемого зависит от количества и формы нахождения ценных, технологически вредных и токсичных компонентов. Содержание ценных компонентов определяет промышленное значение, область применения, способ переработки и стоимость минерального сырья. При оценке качества полезного ископаемого учитывают его химический и минеральный состав, текстурно-структурные особенности, физические и механические свойства. В зависимости от состава, текстуры, структуры, технологии обогащения и переработки полезные ископаемые разделяют на технологические сорта.

По химическому составу преобладающих минералов различают руды силикатные, кремнистые, оксидные, сульфидные, карбонатные, смешанные и др.

Соотношение между рудными и нерудными минералами для руд разных металлов и месторождений колеблется в широких пределах. Например, в золотоносных кварцевых жилах количество рудного золота (Au) по отношению к массе кварца составляет тысячные доли процента. Некоторые типы железных руд целиком состоят из рудных минералов магнетита и гематита. Содержание металлов в рудных минералах зависит от их химического состава, например, в магнетите (Fe₃O₄) содержится 72,4% Fe, а в сидерите (FeCO₃) 48,3% Fe. По содержанию полезных компонентов выделяют руды богатые, рядовые и бедные (табл. 1).

Вредными называются компоненты, которые усложняют переработку минерального сырья или ухудшают качество продукции. Например, присутствие значительного количества железа в бокситах делает их непригодными для получения алюминия по современным технологиям. Доломитизированные и окремненные известняки не могут быть использованы в качестве сырья при производстве цемента. Присутствие серы, фосфора или мышьяка в железных рудах усложняет процесс производства и ухудшает качество чугуна и стали.

Таблица 1 Классификация руд по содержанию основного компонента

Полезное ископаемое	Руды
	богатые	рядовые	бедные
Железная руда (по железу), %	>50	30÷50	<30
Медная руда (по меди), %	3	1÷3	1
Полиметаллическая руда (Zn+Pb), %	15	5÷15	5
Фосфориты (по Р2О5), %	20	10÷20	10
Золото (коренное), г/т	10	5÷10	5
Золото (россыпное), г/м3	5	1÷5	1
Слюда (сырец), кг/м3	100	20÷100	20

Токсичные компоненты при промышленном использовании минерального сырья попадают в атмосферу, загрязняют воду и земли, угнетающе действуют на биоту.

По текстуре (расположению слагающих её минеральных агрегатов) руды разделяют на массивные, полосчатые, пятнистые, прожилковые, вкрапленные, ячеистые, сфероидальные, почковидные и др.; по структуре (форме, размеру, способу сочетания минеральных зерен в обособленных минеральных агрегатах) руды делят на равномернозернистые, неравномернозернистые, оолитовые (с концентрически округлыми выделениями минералов), порфировые (с отдельными крупными выделениями минералов среди равномерно зернистой массы), радиально-лучистые и др. По характеру распределения рудных минералов различают руды с равномерным, неравномерным и крайне неравномерным строением.

Руды, из которых извлекается лишь один полезный компонент, считаются простыми (мономинеральными). При содержании нескольких ценных компонентов руды являются комплексными. Например, комплексной рудой являются серебросодержащий галенит (PbS) и медно-никелевые руды Норильско-Талнахского района (CuFeS₂, (FeNi)₉S₈), из которых попутно извлекают палладий и золото.

Руды, добываемые из залежей, заключённых в коренных породах, называются коренными; накопленные в рыхлых отложениях при эрозии толщ, содержащих устойчивые к выветриванию минералы — россыпными.

Промышленная ценность залежей полезных ископаемых определяется сопоставлением оценок количества и качества ископаемого в недрах, горно-геологических условий⁸ его добычи с соответствующими требованиями промышленности, обоснованными технико-экономическими расчетами - кондициями.