Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов

Рис. 1. Остров Минамитори — самый восточный из островов, принадлежащих Японии. Остров настолько мал, что на нем не помещается ничего, кроме взлетно-посадочной полосы и нескольких построек. Однако запасов редкоземельных элементов в окружающей его 200-мильной исключительной экономической зоне хватит не только Японии, но и всему миру на много лет. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Год за годом в мире растет спрос на редкоземельные металлы — элементы, которые необходимы во многих новейших разработках в электронике, альтернативной энергетике, автомобилестроении и других высокотехнологичных сферах. Особенно велика потребность в редкоземельных металлах так называемой иттриевой (или тяжелой) группы (REY или HREE), в которую входят иттрий и тяжелые лантаноиды от европия до лютеция. Япония — крупнейший в мире потребитель этих металлов — не имела до последнего времени собственных месторождений и полностью зависела от импорта из Китая. Поэтому открытие на дне океана у берегов Японии огромных, практически неисчерпаемых запасов глубоководных илов, обогащенных редкоземельными металлами, и полученная недавно более точная оценка их запасов — важнейшее событие как в научной, так и в экономической жизни не только Японии, но и всего мира: в результате может появиться новая отрасль по добыче редкоземельного сырья со дна океана.

До 2011 года выделялись три типа рудных полезных ископаемых, залегающих в океанах, — железомарганцевые конкреции (ЖМК), кобальто-марганцевые корки (КМК) и глубоководные полиметаллические сульфиды (ГПС). ЖМК и особенно КМК содержат в своем составе редкоземельные элементы, что делало их крайне привлекательными с точки зрения добычи. В 2011 году японские ученые сообщили об открытии еще одного вида морских полезных ископаемых, также обогащенных редкоземельными элементами иттриевой группы (REY — rare-earth elements and yttrium), — глубоководных илов, которые широко распространены на морском дне в Тихом океане (Y. Kato et al., 2011. Deep-sea mud in the Pacific Ocean as a potential resource for rare-earth elements). По первым оценкам, только на одном квадратном километре морского дна может залегать так много REY, что можно будет обеспечить одну пятую часть всей мировой потребности за год.

В ходе исследований были проанализированы около 80 образцов илов, поднятых с глубин от 3,5 до 6 км. Концентрация полезных компонентов в илах тогда оценивалась на уровне 1000–2200 ppm (миллионных долей) для иттрия и 200–400 ppm для тяжелых редкоземельных элементов (HREE — heavy rare-earth elements, от европия до лютеция). В наземных месторождениях концентрации могут быть на порядок больше, но потенциальные ресурсы морских месторождений огромны, а потребность Японии в собственном редкоземельном сырье крайне велика. Около 90% всех редкоземельных металлов в мире добывается на территории Китая, при этом 60% из них импортирует Япония. Китай постоянно вводит квоты и торговые ограничения, что негативно сказывается на развитии японской электронной и оборонной промышленности. Потенциальные риски, связанные с ограниченностью запасов редкоземельных металлов иттриевой группы, вызывают огромный интерес к коммерческой разработке ресурсов морского дна. Поэтому исследования были продолжены при поддержке различных научных и промышленных организаций и правительства Японии.

В 2013 году в северо-западной части Тихого океана в японской исключительной экономической зоне (ИЭЗ) у японского острова Минамитори (второе название — остров Маркус, рис. 1) в рейсе KR13-02 глубоководного научно-исследовательского судна KAIREI были обнаружены глубоководные илы с содержанием REY от 2000 до 5000 ppm и более (K. Iijima et al., 2016. Discovery of extremely REY-rich mud in the western North Pacific Ocean). Редкоземельные металлы были сконцентрированы в толще илов мощностью до 10 м, расположенных на глубине 5500–6000 метров. Илы были обогащены именно тяжелыми редкими землями, а их ресурсы были предварительно оценены как «огромные». Плюс ко всему, илы практически не содержали радиоактивных элементов (урана и тория), а их добыча и обогащение, на первый взгляд не представляли особых проблем. В связи с этим REY-содержащие глубоководные илы острова Минамитори были объявлены новым перспективным источником редкоземельных элементов, а исследования по возможности их добычи, обогащения и экономической оценке продолжились.

Помимо своей наземной территории, страны, выходящие к океанам и морям (прибрежные государства), в качестве своей минерально-сырьевой базы могут рассматривать и прилегающую территорию морского дна. Конвенция ООН по морскому праву 1982 года предоставила прибрежным государствам право устанавливать в прилегающих акваториях исключительную экономическую зону шириной до 200 морских миль (370,4 км), в которой признаются суверенные права на разведку и разработку природных сырьевых ресурсов.

Итогом очередного этапа изучения глубоководных редкоземельных илов района острова Минамитори является статья в журнале Scientific Reports, подготовленная группой японских ученых во главе с Ютаро Такайей (Yutaro Takaya) из Университета Васэда в Токио.

Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов
Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов

Рис. 2. Расположение изученного участка Тихого океана на батиметрической карте. Белым пунктиром обозначена исключительная экономическая зона Японии (на севере Япония настойчиво пытается включить в зону своих экономических интересов южные острова Курильской гряды с прилегающей акваторией). Разноцветными звездочками показаны места отбора проб в ходе проведения четырех разведочных рейсов. Белый прямоугольник — площадь, на которой проводился подсчет запасов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Оценка ресурсов REY в глубоководных илах проводилась с помощью геоинформационной системы ArcGIS (версия ArcMAP 10.4), разработанной на основе метода обратных взвешенных расстояний (см.: Inverse distance weighting). Изученная территория площадью около 2500 км2 была разделена на 24 ячейки, в каждой из которых оценка производилась в 10 срезах (на глубинах от 0 до 10 м от поверхности) (рис. 2 и 3). В качестве базы для подсчета ресурсов использовались 573 образца, отобранные командой исследователей в ходе четырех исследовательских рейсов, а также 104 образца, полученных в предыдущих рейсах.

Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов
Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов

Рис. 3. Основанные на модельных расчетах карты среднего содержания REY в иле на разных глубинах от поверхности дна (от 0 до 10 м). Белыми точками обозначены места отбора проб. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Суммарные ресурсы всей площади по редкоземельным оксидам составляют около 16 млн тонн при среднем содержании REY 964 ppm. Иттрий и HREE составляют около 44% всех редкоземельных элементов на изученной территории: запасы иттрия — 4,4 млн тонн в пересчете на оксид, а запасы HREE — 2,6 млн тонн в пересчете на оксиды. Этих ресурсов достаточно, чтобы снабжать весь мир иттрием, европием, тербием и диспрозием в течение 780, 620, 420 и 730 лет соответственно. Особо перспективен участок В1 (размерами 9,9 км × 10,6 км = 105 км2) со средним содержанием REY около 1700 ppm. Объем ресурсов одного этого участка составляет 1,2 млн тонн редкоземельных оксидов, что может обеспечить годовой спрос на Y, Еu, Tb, и Dy на 62, 47, 32 и 56 лет, соответственно.

Ранее с помощью методов рентгеноспектрального анализа (анализа тонкой структуры спектров поглощения рентгеновских лучей) и микрорентгеновской флюоресценции (см.: Micro-X-ray fluorescence) было установлено, что главным минералом-концентратором REY в глубоководных илах является апатитовая минеральная фаза (фосфат кальция) (T. Kashiwabara et al., 2014. Determination of Host Phase of Lanthanum in Deep-sea REY-rich Mud by XAFS and µ-XRF Using High-energy Synchrotron Radiation). Авторы обсуждаемой статьи в Scientific Reports установили, что REY адсорбируются из морской воды присутствующим в илах биогенным фосфатом кальция (БФК) морских отложений. Они провели исследование БФК методами рентгеноспектрального микроанализа, лазерной абляции и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и выяснили, что содержание REY в БФК обычно превосходит 15000 ppm, иногда достигая 22000 ppm, и именно БФК является главным минералом-концентратором REY в глубоководных илах.

Главным недостатком морских руд по сравнению с наземными является низкое качество — низкое содержание в них полезных компонентов. Авторы предложили простой и недорогой способ обогащения морской редкоземельной руды прямо на месте добычи с помощью метода гидроциклонной сепарации, который затем может применяться и на промышленной стадии. Действие гидроциклонного сепаратора построено на отделении тяжелых/крупных зерен от легких/мелких. В ходе исследования использовался гидроциклонный сепаратор, задача которого заключалась в том, чтобы отделить фракцию с частичками больше 15 мкм, содержащую минералы-концентраторы редких земель, от шлама (жидкой глины). В гидроциклоне взвесь делилась на два потока: верхний (легкий) и нижний (тяжелый). Были взяты три пробы в точках с низким (722 ppm), средним (2315 ppm) и высоким (4802 ppm) содержанием REY. После разделения проб содержание REY составило соответственно: в верхнем потоке 429, 997 и 994 ppm, в нижнем — 1401, 6031 и 8902 ppm при выходе REY в нижнем потоке соответственно 70,7, 75,0 и 93%. Таким образом, было показано, что простейшая гидроциклонная сепарация позволяет прямо на месте добычи повысить качество руды примерно в два раза. Это делает добычу илов значительно более эффективной, снижая стоимость подъема руды на поверхность. Дальнейшее гранулометрическое обогащение, при котором селективно отсортировывались зерна БФК, составляющие самую грубую фракцию (38–100 мкм), позволили обогатить руду до 50 раз.

Результаты обсуждаемого исследования позволяют перевести редкоземельные глубоководные илы из категории потенциальных полезных ископаемых в категорию промышленных. У Японии появляется возможность стать независимой в вопросах обеспечения промышленности и экономики редкоземельными элементами, а у геологов всего мира — необходимость по-новому взглянуть на сырьевой потенциал Мирового океана.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

одиннадцать − восемь =