Применение лития и его соединений в настоящее время весьма разнообразно. В XIX в. литий применялся в ограниченном количестве в медицине. Исключительное значение он приобрел в 50-х гг. XX в., когда было установлено, что изотоп 6Li может служить источником получения трития, необходимого для осуществления термоядерных процессов. Потенциальный крупный потребитель лития – энергетические установки, реализующие управляемую реакцию термоядерного синтеза, будущие основные источники энергии. В последние годы ведущей областью применения лития стала алюминиевая промышленность – добавки 3–5 % карбоната лития в алюминиевые электролизеры снижают расход электроэнергии на 20 % (в общей сложности) и сокращают не менее чем на 25 % эмиссию фторидов в окружающую среду.
Литий (в виде обезжелезненного сподумена, петалита и карбоната лития) – традиционный компонент специальных видов керамики, стекла и ситаллов. Литиевые соли жирных кислот служат основой высококачественных консистентных смазок, работающих в широком температурном диапазоне (от –60 до +60 °С). Весьма перспективным направлением использования металлического лития становятся алюминиевые сплавы (96 % Аl, 3 % Li и ряд других компонентов) для авиационной и аэрокосмической промышленности; добавка лития к авиационным алюминиевым сплавам на 10 % снижает массу конструкций и тем самым на 20 % на единицу массы повышает эффективность эксплуатации самолета.
В электротехнической промышленности литий используется в ХИТах (химических источниках тока) – компактных электрических батареях для электронных часов, стимуляторов сердечной деятельности, устройств памяти в ЭВМ, фото- и кинокамер. Гигроскопические соединения лития эффективно применяются в установках кондиционирования воздуха (гидрооксид лития входит в системы жизнеобеспечения космонавтов), в производстве глазурей, жаростойких эмалей для реактивных и турбореактивных двигателей, высокопрочных цементов, лаков и красок, а также в медицине (карбонат лития) и ряде других областей.
Структура мирового потребления лития по областям применения и видам товарных продуктов такова (%): производство алюминия, стекла и керамики – 48 (карбонат лития); консистентные смазки – 20 (гидрооксид лития); стекло, керамика – 15 (минеральные концентраты); кондиционирование и очистка воздуха и газов – 9 (соли лития); аккумуляторные батареи, сплавы – 5 (металл); катализаторы для получения каучука – 2 (бутил-литий); фармацевтика и прочие области применения – 1.
В СО РАН (г. Новосибирск) выделены лабораторные партии сподуменового концентрата из всех исследованных месторождений сподумена Сибири, в том числе и Алахинского месторождения. Разработана схема переработки сподуменового концентрата с получением высокодисперсного гамма-моноалюмината лития. Проведены испытания полученного материала в топливных элементах и тепловых батареях.
Согласно опубликованным данным суммарное потребление лития в зарубежных странах в 1998 г. составило 10,4 тыс. т по сравнению с 8,1 тыс. т в 1990 г. Распоряжением правительства РФ № 50 от 16.01.96 г. литий отнесен к списку стратегических редких металлов. Указанные данные не вызывают сомнений в актуальности изучения литиевых месторождений. Широкое использование на бытовом уровне сочетается с растущим применением в сфере высоких технологий: сверхлегких сплавов, оптических стекол и оптических кристаллов для сверхвысокочастотной техники, батарей для мобильных и сотовых телефонов, современных носителей информации и т.д. [4]. Спектр областей применения непрерывно расширяется. В настоящее время карбонат и фторид лития эффективно используется в процессе электролиза алюминия. Все это предопределяет большие перспективы роста его потребления. Цель исследования – представить современную картину уникального, комплексного Алахинского месторождения с учётом новых данных по вещественному составу руд.
Результаты исследования
Алахинское месторождение относится к литий-танталовым месторождениям в сподуменовых гранитах. Алахинское редкометалльное рудное поле контролируется одноименным массивом гранитоидов и многочисленными дайками сподуменовых гранит-порфиров. Алахинский гипабиссальный комплекс редкометалльных гранитов (J1) локализован в южной части Горного Алтая. Алахинский шток гранитоидов прорывает граниты девонского рахмановского комплекса и сложен сподуменовыми гранит-порфирами, лейкогранитами мусковит-сподуменовыми и тарантулитами. Температуры кристаллизации гранитоидов от ранних фаз к поздним снижаются от 720 до 520 °С. Общее давление возрастало от 1,1 до 2,6 кбар. При этом в заключительной фазе резко возрастает давление флюидной фазы. От ранних фаз к поздним происходит значительное увеличение редких щелочных и других элементов [1].
Сподуменовые гранит-порфиры сформировались на юрском этапе становления сложного гетерохронного и полиформационного Рахмановского батолита. Алахинский шток сподуменовых гранит-порфиров расположен среди гранитов первой и третьей фаз гранитоидов рахмановского комплекса и на поверхности обнажается в виде двух сближенных тел. Характер поверхности сподуменовых гранит-порфиров, лейкогранит-порфиров, тарантулитов, грейзенов и альбититов указывает на то, что наиболее богатая часть оруденения сформировалась под экраном более ранних рахмановских гранитоидов.
Алахинское месторождение включает Главное и Малое рудные тела площадью 0,3 и 0,2 км2, соответственно. Главное тело имеет неправильную форму и вытянуто в субмеридиональном направлении. Максимальные размеры в плане 1000´650 м, площадь около 0,3 км2. Падение южного контакта крутое, близвертикальное, северного – пологое (45–50°) по вмещающие граниты первой фазы.
В эндоконтакте наблюдается зона мощностью до 0,5 м с резко неравномерным составом породы. Матрикс её составляет тонкозернистый альбит, обогащённый тонкоигольчатым чёрным турмалином. На удалении от контакта (5–50 см) в альбитите неравномерно развиты шлиры кристаллов микроклина (0,5×2 см) и гнёзда, неправильные обособления серого и тёмно-серого кварца, зеленовато-серой слюды (фенгита) и тонкоигольчатого шерла.
Далее, по мере удаления от контакта на юг и ЮВ следует зона тонко-, равномернозернистых альбититов и кварцевых альбититов шириной 20–30 м. Она увеличивается со стороны пологого контакта интрузива и сужается до первых метров вдоль крутых контактов. По мере удаления от контакта в альбититах постепенно возрастает количество вкрапленников кварца, появляются таблитчатые выделения сподумена, в результате чего альбититы постепенно сменяются нормальными гранит-порфирами.
За зоной альбититов в центре Главного тела развиты нормальные сподуменовые гранит-порфиры. В полосе развития останцов кровли среди гранит-порфиров изредка отмечаются небольшие шлироподобные обособления и прожилки серого и тёмно-серого кварца, иногда с тонкоигольчатым турмалином, чередующегося с тарантулитами и лейкогранит-порфирами. Далее на юг зернистость гранит-порфиров становится более тонкой, количество вкрапленников сподумена сокращается, порода постепенно приобретает аплитовидный облик. Южный контакт её с вмещающими гранитами резкий без заметных преобразований с обеих сторон.
Малое тело расположено гипсометрически ниже первого и обнажено лишь фрагментами. Форма его овальная. Размеры в плане 400×350 м. Площадь около 0,1 км2. Сложено Малое тело породами, близкими по составу и структуре гранит-порфирам Главного тела. Лишь на СЗ отмечены отдельные участки со значительным содержанием порфирокрист сподумена. Альбититы здесь не установлены. В эндоконтакте на юге среди гранит-порфиров часто встречаются угловатые обломки вмещающих гранитов; отмечены пологие пегматоидные прожилки с укрупнёнными кристаллами сподумена.
На севере и северо-западе, в области полого погружения гранит-порфиров Главного тела под граниты первой фазы, последние вдоль контакта и в останцах кровли превращены в грейзенизированные турмалин-слюдисто-кварцевые метасоматиты. Мощность зоны приконтактовой грейзенизации до 50 м. В метасоматитах наблюдаются альбит, кварц, слюда, турмалин, микроклин, флюорит, пирит, шеелит, апатит, циркон, рутил, сфен, халькопирит, эпидот, клиноцоизит. В отдельных случаях отмечены петалит, поллуцит, рибекит, холмквистит, рутил, микролит.
Наряду с турмалин-слюдисто-кварцевыми метасоматитами в экзоконтакте Главного тела широко развиты кварц-турмалиновые и существенно турмалиновые прожилки, секущие и граниты и метасоматиты. На участках, насыщенных кварц-турмалиновыми прожилками, появляются литиевый мусковит, протолитионит, а также слюды ряда биотит-лепидолит.
В сподуменовых гранит-порфирах Главного тела характерно повышенное содержание тантало-ниобатов, среди которых установлены тантэвксенит (до 58,5 г/т), микролит (до 29,8 г/т) и танталит (до 1,1 г/т), а также апатит, сфен, петалит, поллуцит, амблигонит, молибденит, флюорит, топаз, гранат, турмалин, рутил, ильменорутил, танталит-колумбит, эвксенит, шпинель, пирит, халькопирит, висмутин. Кроме того постоянно отмечаются светлые слюды: мусковит, лепидолит, цинвальдит.
Содержания тантала наиболее значительны в сподуменовых гранит-порфирах Главного тела. В центре Главного тела они устойчиво выше 0,01 %, а максимумы (0,02–0,043 %) заметно смещены к висячему пологому контакту. На севере, в альбититах эндоконтакта и вдоль останцов кровли содержания Ta неравномерные и, в целом, пониженные. Концентрации других компонентов (%): пентоксида ниобия 0,011–0,015, оксида лития 1,0–2,02, оксида цезия – 0,01–0,05, оксида бериллия – 0,01–0,025, оксида рубидия – 0,002–0,265, висмута – 0,003–0,025. Соотношение тантала к ниобию варьирует от 1:1 до 2:1.
В Малом теле содержания тантала невысокие (до 0,009–0,011 %) с тенденцией резкого уменьшения их на нижних горизонтах.
В турмалин-слюдисто-кварцевых метасоматитах содержания пентоксида тантала до 0,036 % выявлены непосредственно в контакте с гранит-порфирами. Мощность столь обогащённой приконтактовой оторочки 1–3 м.
В апикальной части штока развиты альбититы, кварцевые альбититы, штокшейдеры, а в экзоконтакте и в остатках кровли – грейзеноподобные турмалин-слюдисто-кварцевые метасоматиты. Сподумен появляется в альбититах на некотором удаленни от пологого контакта и максимально он развит в гранит-порфирах (до 30 %). Постоянно отмечаются мусковит, лепидолит, цинвальдит. В меньших количествах присутствуют: петалит, поллуцит, амблигонит, молибденит, флюорит, топаз, турмалин, рутил, танталит-колумбит, эвксенит, микролит, шпинель, пирит, халькопирит, висмутин.
По химическому составу слюды в сподуменовых гранит-порфирах и метасоматитах относятся к фенгитам и литиевым фенгит-мусковитам (рисунок).
Руды месторождения классифицируются хальколитофильной геохимической специализацией. Содержания основных рудообразующих редких элементов составляют (%): Li2O – от 0,005 до 1,83 (среднее 1,1), Ta2O5 – от 0,0005 до 0,11 (среднее 0,015), Nb2O5 – от 0,0001 до 0,09 (среднее 0,013), Cs2O – от 0,0001 до 0,06 (среднее 0,02). Коэффициенты концентрации этих же элементов достигают: Li – 63,2, Ta – 49,2, Nb – 4,55, Cs – 37,6. Основные сопутствующие элементы зафиксированы в следующих концентрациях (%): Rb2O – от 0,001 до 0,1 (среднее 0,08), Bi – от 0,001 до 0,05 (среднее 0,01). Коэффициенты концентрации показывают: Rb – 3,47, Bi – 151,5. Повышенные концентрации основных рудообразующих элементов отмечаются и в минералах: слюдах, полевых шпатах, кварцах. Содержания редких элементов в минералах сподуменовых гранит-порфирах и метасоматитах приведены в таблице.
Диаграмма составов слюд сподуменовых гранит-порфиров и турмалин-слюдисто-кварцевых метасоматитов Алахинского месторождения:1 – сподуменовые гранит-порфиры; 2 – турмалин-слюдисто-кварцевые метасоматиты
Содержания тантала и редких щелочей в минералах рудогенерирующих гранит-порфиров и метасоматитов (в масс. %)
|
Породы и метасоматиты |
Минералы |
Концентрации элементов |
||||
|
Ta2O5 |
Nb2O5 |
Li2O |
Rb2O |
Cs2O |
||
|
Сподуменовые гранит-порфиры |
Фенгит |
0,012 |
0,032 |
0,430 |
0,500 |
0,04 |
|
Фенгит |
0,014 |
0,034 |
0,420 |
0,485 |
0,05 |
|
|
Сподумен |
0,098 |
0,039 |
7,63 |
0,002 |
0,005 |
|
|
Сподумен |
0,11 |
0,045 |
7,65 |
0,004 |
0,006 |
|
|
Альбит |
0,003 |
0,003 |
0,710 |
0,200 |
0,03 |
|
|
Кварц |
0,004 |
0,003 |
0,310 |
0,03 |
0,04 |
|
|
Сподуменовые лейкогранит-порфиры |
Фенгит |
0,012 |
0,034 |
0,425 |
0,540 |
0,04 |
|
Сподумен |
0,032 |
0,012 |
5,65 |
0,002 |
0,002 |
|
|
Альбит |
0,003 |
0,003 |
0,350 |
0,130 |
0,02 |
|
|
Кварц |
0,004 |
0,003 |
0,480 |
0,03 |
0,007 |
|
|
Турмалин-слюдисто-кварцевые метасоматиты |
Литиевый фенгит-мусковит |
0,004 |
0,007 |
1,57 |
0,57 |
0,38 |
|
Альбит |
0,003 |
0,004 |
0,035 |
0,011 |
0,005 |
|
|
Турмалин |
0,003 |
0,003 |
0,076 |
0,002 |
0,001 |
|
|
Кварц |
0,004 |
0,005 |
0,330 |
0,05 |
0,01 |
|
Примечание. Количественный химический анализ выполнен в Лаборатории Ульбинского завода (Казахстан).
Следует отметить, что к юго-западу от Главного тела наблюдается рой даек сподуменовых гранит-порфиров в полосе шириной 400–700 м, отходящей от Главного тела. Большинство даек в этой полосе залегает с пологим падением в северных румбах, изредка субгоризонально. Часть даек являются радиальными, подчёркивая существование на глубине не вскрытого эрозией ещё одного слепого купольного штока гранит-порфиров. Протяжённость даек десятки метров, мощности от 0,1 до 4 м.
Рудное тело, оконтуренное по бортовому содержанию 0,007 % Ta2O5, образует куполовидную залежь в апикальной части небольшого (площадь выхода 0,4 км2) массива сподуменовых гранитов. Литиевые минералы представлены в основном сподуменом, встречаются также петалит и монтебразит, а танталовые минералы – танталитом и микролитом. В небольшом количестве присутствует поллуцит. Среднее содержание Li2O в рудах 0,71 %. Алахинское месторождение – одно из крупнейших литиевых месторождений Сибири. Прогнозные запасы его оцениваются в 68 млн т руды со средним содержанием сподумена 5 %, то есть приблизительно 3,4 млн т сподуменового концентрата или 448 тыс. т Li2O. Наряду со сподуменовым из руд можно извлекать танталовый, слюдяной, полевошпатовый концентраты. Основными рудными минералами являются сподумен, танталит, поллуцит, слюды, полевые шпаты. Средние содержания в рудных телах (%): литий – 0,8, тантал – 0,012, ниобий – 0,015, рубидий – 0,12, цезий – 0,026. Запасы тантала первой очереди месторождения утверждены ГКЗ по Главному штоку до глубины 50 м. По утвержденным запасам объект в настоящее время относится к среднему с рядовыми рудами, по прогнозным ресурсам лития до глубины 250 м – к весьма крупному, а по ресурсам тантала, рубидия и цезия – к крупному.
Выводы
Алахинское месторождение формировалось в связи со становлением сподуменовых гранит-порфиров, которые характеризовались весьма высокими концентрациями фтора, бора, фосфора, воды и других летучих компонентов. Такая перенасыщенность летучими компонентами приводила к тому, что на заключительных фазах формировались ультракислые граниты – лейкограниты и тарантулиты (с содержанием SiO2 более 85 %), которые, по сути, становились рудными в апикальной части штока сподуменовых гранит-порфиров, где криcталлизовались и более поздние – альбититы, грейзены и штокшейдеры. Направленность процесса к генерации ультракислых тарантулитов обусловливалась обогащённостью расплава солями щелочных металлов, отличающихся высокой растворимостью (Сs, Rb, Li и других) и способностью понижать температуры кристаллизации магм, что весьма характерно для плюмазитовых магм анорогенных обстановок формирования [1–3]. Характер проявления ультракислой ветви в сподуменовых гранит-порфирах тарантулитов и полосчатых обособлений кварца указывает на ликвационный механизм их формирования. Всё это обусловило образование комплексного уникального месторождения Li, Ta, Nb, Rb, Cs в апикальной части штока, где в последующем проявились штокшейдеры, грейзены турмалин-слюдисто-кварцевые, альбититы с богатыми рудами под экраном более ранних гранитоидов Рахмановского массива.