МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИПЫ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТИТАНА
МОСКВА, 2001
Открытый в 1791 г. английским химиком Уильямом Грегором титан лишь в ХХ в. нашел широкое применение как металл, обладающий уникальными свойствами. Температура его плавления (1725 °С) выше, чем у железа и никеля, а плотность – почти вдвое меньше. Титан отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью.
Титановые сплавы применяются как конструктивный металл в космической технике, авиационной, автомобильной, судостроительной, энергомашиностроительной, гидролизной, пищевой, медицинской отраслях промышленности, железнодорожном транспорте и отрасли цветной металлургии, где они надежно и длительно эксплуатируются во многих агрессивных средах в диапазоне температур от сверхнизких до +500-600 °С и выше. Главнейшее значение имеют титанованадиевые сплавы, отличающиеся высокой прочностью, ковкостью и свариваемостью; карбид титана применяется для изготовления сверхтвердых сплавов, двуокись титана – для производства стойких титановых белил, пластмасс и в целлюлозно-бумажной отрасли промышленности.
Общие запасы двуокиси титана в 20 зарубежных странах оцениваются в 420 млн. т. (3/4 – ильменита, 1/4 – рутила). Около 90% этих запасов сосредоточено на Украине, в Бразилии, ЮАР, Австралии, Индии, Китае, Норвегии и Канаде. Производство титановых концентратов в зарубежных странах составляет 5,2 млн. т. (в том числе 88% ильменитового и 12% рутилового концентратов). Основные производители титанового концентрата – Австралия, ЮАР, Канада и Норвегия. В Австралии, США, Индии и Японии производят синтетический рутил из ильменита. Производство металлического титана налажено в России, США, Великобритании и Японии. Цены на ильменитовый концентрат составляют 80-90, а на рутиловый – 600-650 дол/т.
Уникальные коренные месторождения обладают запасами более 50 млн. т., крупные – от 30 до 50, средние – от 10 до 30, мелкие – менее 10 млн. т. двуокиси титана. Для россыпных месторождений порядок цифр вдвое меньше. Промышленными месторождениями считаются те, которые содержат в рудах более 10% TiO2 в коренных месторождениях и более 10% ильменита или 1,5% рутила – в россыпях. Вредные примеси в металлургическом сырье – сера и фосфор, для производства белил – хром.
МИНЕРАЛОГИЯ ТИТАНА
В настоящее время известно около 70 минералов титана. Во многие из них титан входит в качестве примеси. Промышленное извлечение титана в основном производится из ильменита – FeTiO3 (31,6%) и рутила – TiO2 (60%). В ильмените и рутиле присутствуют ванадий, скандий, тантал и ниобий. Извлечение ильменита из титаномагнетита возможно, если поперечный размер зерен ильменита больше 0,3 мм. Частично титан извлекают из лейкоксена – конечного продукта изменения ильменита и сфена (в лейкоксене по ильмениту – 96%, по сфену – 67% TiO2) и лопарита (Na, Ce) TiO3 (26,6% Ti).
ТИПЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Среди промышленных месторождений титана выделяются: магматические, выветривания, россыпные, вулканогенно-осадочные и метаморфические.
Магматические месторождения:
Наиболее значительные магматические месторождения титана приурочены к крупным массивам анортозитовой формации площадью в сотни и тысячи квадратных километров. В России к ним принадлежат месторождения Восточного Саяна (Мало-Тагульское, Лысанское, Кручининское), в Канаде – Лак-Тио, в США – Тегавус.
Мало-Тагульское месторождение ильменит-титаномагнетитовых руд приурочено к одноименному массиву габбро-анортозитов площадью более 200квадратных километров (Иркутская область). На месторождении выявлено шесть рудных участков, в пределах которых встречены рудные тела с промышленным содержанием железа и титана. В плане рудные залежи имеют размеры от 50х100 до 130х850 м. Падение их крутое, прослежены до глубины 300 м. Содержание железа в рудах 20-33%, TiO2 в титаномагнетитовых концентратах – 12-16%.
Месторождение Лак-Тио находится в провинции Квебек и обладает запасами в 125 млн. т. Оно дает около 80% добычи ильменитовых концентратов Канады, содержащих 35% TiO2 и 40% железа. Месторождение залегает в анортозитовом массиве, имеющем овальную форму размером 150х50 км, и состоит из трех рудных тел пластообразной формы, полого подающих согласно со структурой массива. Главное рудное тело площадью 1 квадратный километр имеет мощность до 90 м. В рудных телах наблюдаются многочисленные ксенолиты анортозита. Богатые руды сложены ильменитом (75%) и гематитом (25%). Сопутствующие минералы представлены сульфидами (пиритом, халькопиритом, пирротином), полевыми шпатами, пироксенами и местами биотитом. Содержание в богатых рудах TiO2 – 32-36%, Fe – 39-43%. Месторождение относится к позднемагматическим образованиям, связанным с процессами накопления остаточного рудного расплава и его внедрением в тектонически ослабленные зоны анортозитовых пород (трещинные интрузии).
Месторождения выветривания:
Современные и погребенные титаноносные коры выветривания образуются на габбро–анортозитах (Волынский массив) и метаморфических породах (Украинский щит, Казахстан). При выносе щелочных элементов и образовании глинистых минералов группы каолинита в коре происходит накопление более стойких акцессорных минералов, в том числе ильменита и рутила. При этом зерна рудных минералов сохраняют первоначальную форму кристаллов, не окатаны. Мощность кор выветривания достигает нескольких десятков метров. Содержание ильменита может достигать нескольких сотен, а рутила – нескольких десятков килограммов на кубический метр.
Минеральный состав коренных пород существенно влияет на качественный и количественный состав рудных минералов в корах выветривания. Для Волынского габбро-анортозитового массива Украины, например, характерны коры, обогащенные только ильменитом (300-500 кг/м3), что связано с отсутствием рутила в коренных породах. На Кундыбаевском месторождении в Казахстане в корах выветривания, образовавшихся на метаморфических породах, содержится до 180 кг/м3 ильменита и до 74 – рутила.
Россыпные месторождения:
Среди россыпных месторождений титана различаются две разновидности: прибрежно-морские и континентальные. Главными являются прибрежно-морские комплексные ильменит-рутил-цирконовые россыпи; меньшее значение имеют континентальные аллювиально-делювиальные россыпи ильменита. Из современных прибрежно-морских россыпей рутил и ильменит добывают в Западной Австралии, Индии, Шри-Ланке, Сьерра-Леоне, частично в Бразилии и США. Крупные запасы ильменитовых песков выявлены у северного побережья Гренландии, на восточном побережье Мадагаскара, вдоль берегов озера Малави на побережье Мозамбика и Новой Зеландии.
В России главное значение имеют древние прибрежно-морские россыпи, распространенные в отложениях неогена и палеогена Ставропольского поднятия, палеогена Зауралья, Северного Приаралья, Северного Устюрта, юго-западной части Западно-Сибирской плиты, палеогена и мезозоя Чулымо-Енисейской и Амуро-Зейской впадин, мезозойских депрессий Уральской складчатой системы, Приенисейской части Западно-Сибирской плиты, Иркутского угленосного бассейна, палеозоя Тиманского и Томь-Колыванского поднятий.
Прибрежно-морские ильменит-рутил-цирконовые комплексные россыпи отличаются большими размерами и крупными запасами. Для них характерны пласто- или линзообразные залежи, мощность которых достигает десятков метров, а протяженность – нескольких десятков километров при ширине до километра. По составу прибрежно-морские россыпи обычно олигомиктовые. Главный породообразующий минерал россыпи – кварц, меньшее значение имеет каолинит. Пески обычно тонко- и мелкозернистые. Промышленное содержание в россыпях ильменита и рутила – от десятков до сотен килограммов на кубический метр. Источником прибрежно-морских россыпей служили коры выветривания континентов – кристаллические породы, покровы эффузивов, массивы гранитных и других пород.
Континентальные россыпи ильменита распространены преимущественно в аллювии, элювии и пролювии четвертичных, палеогеновых и нижнемеловых отложений. Рудные тела аллювиальных россыпей имеют обычно лентовидную форму и приурочены к долинам рек. Рудные минералы накапливаются в нижних горизонтах, в наиболее грубообломочном материале, представленным крупнозернистым песком, гравием или мелким галечником. По минеральному составу континентальные россыпи обычно полимиктовые (кварц, полевой шпат, каолинит). Размеры зерен ильменита 0,1-0,25 мм и более; окатанность их слабая. Содержание ильменита в промышленных континентальных россыпях изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен килограммов на кубический метр.
Примером прибрежно-морской погребенной россыпи может служить Правобережное месторождение Приднестровского района, а континентальной – Иршинское месторождение Володарско-Волынского района.
Правобережное месторождение. Прибрежно-морские россыпи этого месторождения приурочены к полтавским и сарматским песчано-глинистым отложениям мощностью от 10 до 60 м, перекрытых лессами, лессовидными суглинками и глинами неогенового и четвертичного возраста. Рудные залежи имеют пластообразную форму при резком преобладании длины над шириной и отличаются значительной мощностью продуктивных песков. Отчетливо горизонтальная или пологонаклонная (2-10°) слоистость рудных песков подчеркивается скоплением тяжелых минералов (до 70-90%), преимущественно титановых и цирконовых. Рудные минералы в полтавских песках располагаются в верхней части, а в сарматских – по всему разрезу.
Рудоносные пески обоих возрастов имеют близкий минеральный состав: лейкоксенизированный ильменит (44%), рутил (16%), циркон, дистен, силлиманит, турмалин (около 10% каждого). В небольших количествах встречаются хромит, анатаз, брукит, корунд, ксенотим и др. Минералы, как правило, мелкие (0,1-0,2%), хорошо окатанные. Продуктивные отложения сарматского возраста залегают на обогащенных тяжелыми минералами песках полтавской серии. Они сформированы за счет переотложения последних в прибрежно-пляжевой зоне среднесарматского моря.
Иршинское месторождение образовано при перемыве каолиновых кор выветривания Володарско-Волынского габбро-анортозитового массива. Россыпи четвертичного возраста обычно залегают в подморенных песках на междуречьях и террасах р. Ирши. Мощность их 1-1,5 м, а содержание ильменита измеряется от десятков до 100-200 кг/м3.
Вулканогенно-осадочные месторождения:
Месторождение Нижний Мамон приурочено к титаноносным вулканогенно-осадочным образованиям на юге Воронежской области в районе с. Нижний Мамон. Месторождение сложено осадочными и вулканогенно-осадочными породами палеозоя, мезозоя и кайнозоя, согласно залегающими на докембрийском фундаменте. Отложения ястребовского горизонта девонского возраста имеют мощность от нескольких до 35 м. Глубина залегания 50-70 м. Общая протяженность находящихся в его составе вулканогенно-осадочных пород примерно 100 км при ширине 20-40 км. Основное направление их простирания совпадает с зоной разлома, с которой связана вулканическая деятельность. Наибольшее количество ильменита приурочено к грубообломочным туфам, туфитам и туфопесчаникам, в которых эффузивные обломки представлены преимущественно породами основного состава. Терригенного материала в туфах менее 10%, в туфопесчаниках – около 90. Цементом служит магнезиально-железистый хлорит. Наиболее обогащены ильменитом (иногда до 50% объема) грубообломочные разности туфогенных пород, размеры зерен ильменита в среднем 0,25-0,3 мм. Количество ильменита резко уменьшается с увеличением в толще терригенного материала. Образование вулканогенных пород, обогащенных ильменитом, вероятно, происходило в мелководном морском бассейне и явилось следствием подводной вулканогенной деятельности.
Метаморфические месторождения:
В этой серии выделяются месторождения титана метаморфизованной и метаморфогенной групп.
Метаморфизованные месторождения титана образуются при метаморфизме древних россыпей и коренных первично-магматических руд. Верхнепротерозойские метоморфизованные россыпи в пределах Башкирского поднятия приурочены к песчаникам зильмердакской свиты, где встречены прослои мощностью до 2.5 м, обогащенные ильменитом (до 250-400 кг/т) и цирконом (до 30 кг/т).
Высококачественные ильменит-магнетитовые массивные и вкрапленные ильменитовые руды образуются при региональном метаморфизме первично-магматических руд. Примером промышленных месторождений этого типа является Отомняки в Финляндии, приуроченное к амфиболитам, образовавшимися в результате метаморфизма рудоносного габбро. Богатые руды этого месторождения в среднем содержат 12% TiO2.
Ярегское месторождение лейкоксена (Южный Тимман) – необычный представитель этой группы и представляет собой погребенную метаморфизованную девонскую россыпь, приуроченную к песчаникам эйфельского и живетского ярусов. Продуктивные горизонты залегают на метаморфических сланцах рифея. Нижний рудный горизонт сложен грубо- и крупнозернистыми кварцевыми песчаниками с прослоями алевролитов и аргиллитов, верхний – полимиктовыми конгломератами и разнозернистыми кварцевыми песчаниками. Рудные минералы представлены полуокатанными зернами лейкоксена размером 0,2-1,5 мм и единичными зернами ильменита. В богатых пробах рудоносного песчаника содержится 8-10% TiO2. Месторождение образовалось, очевидно, в результате размыва кор выветривания метаморфических сланцев рифея.
Метаморфогенные месторождения титана приурочены к древним кристаллическим сланцам, гнейсам, эклогитам и амфиболитам. Образуются в результате метаморфизма интрузивных, эффузивных и осадочных пород, обогащенным титаном. К этому типу относятся докембрийские хлоритовые сланцы, содержащие до 20% рутила (месторождение Харворд, США) и докембрийские гнейсы с рутилом – до 25% (месторождение Плюмо Идальго в Мексике).
На Кузнечихинском месторождении (Средний Урал) в амфиболитах содержится около 1,5% рутила, а в эклогитах Шубинского месторождения (Южный Урал) – 4,5.
Металлогения
Месторождения титана формировались преимущественно на ранней стадии геосинклинального этапа в связи с хорошо дифференцированными интрузиями пород габбро-пироксенит-дунитовой формации. Среди них И. Малышев выделил две главные группы: 1) месторождения в антрозитах с ильменитовыми и рутил-ильменитовыми рудами; 2) месторождения в габбро с ильменит-магнетитовыми рудами. Переход от ильменитовых руд к магнетит-ильменитовым связывается с нарастающей степенью окисления при кристаллизации магматического расплава. С зонами активации древних платформ связано образование многофазных плутонов щелочного и ультраосновного состава с лопаритовым, перовскитовым и титаномагнетитовым оруденением. В результате разрушения пород, содержащих ильменит, рутил и анатаз, формировались прибрежно-морские, пролювиальные и аллювиальные россыпи, среди которых известны как древние (ископаемые) палеозойского, мезозойского, палеогенового и неогенового возраста, так и современные образования.
Титановые месторождения принадлежат к продуктам различных эпох: докембрийской (Балтийский щит, Канадский щит, Индия, Южная Африка и др.), каледонской (Южная Африка, Норвегия, Урал), герцинской (Урал) и альпийской (Северная и Южная Америка).