Литий – важнейший металл инновационной экономики
ВВЕДЕНИЕ
Литий – элемент второй группы первого периода таблицы Д.И. Менделеева. Это самый легкий металл. Он химически очень активен и бурно реагирует даже с дистиллированной водой. У лития, но главным образом у его сплавов и химических соединений, а также у некоторых субстанций, в которые литий добавлен в небольших количествах, имеется ряд полезных физических, химических или биохимических свойств. Все это способствует постоянному росту его использования в широком спектре промышленных производств, который особенно ускорился в XXI в. По оценкам Геологической службы США (USGS), годовое производство первичного лития в пересчете на его оксид (Li2O) выросло с 30 тыс. т в 2000 г. до 440 тыс. т в 2023 г., т.е. почти на полтора порядка – настоящий «литиевый бум». Рост потребления наблюдался по всем направлениям его использования. При этом максимальный спрос (ок. 80% всего объема) создало производство батарей и аккумуляторов самого разного назначения: это и стационарные энергонакопители ветровых и солнечных электростанций, и аккумуляторы электрических и гибридных автомобилей, и намного более миниатюрные аккумуляторы и батареи для компьютерной и прочей электронной техники широкого спектра назначения (бытовой, научной, медицинской, военной, космической и т.д.). Кроме того, литиевые продукты используется для производства стекла, керамики и стеклокерамики, промышленных смазок, пластмасс и шинной резины, в выплавке стали, алюминия и особо легких авиационных сплавов, создании систем охлаждения, осушения и очищения воздуха, изготовлении лекарств, получении трития и еще целом ряде других современных производств. Во всех странах с развитой промышленностью литий считается стратегически или критически важным видом минерального сырья. Российская Федерация в этом отношении не является исключением.
ТИПЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЛИТИЯ
Все месторождения лития, которые в настоящее время уже используются для его получения или готовятся к вводу в полномасштабную эксплуатацию можно по агрегатному состоянию рудоносной субстанции разделить на две группы: твердофазную и рассольную.
В первой группе литий связан с определенными минералами, которые при переработке руды подвергаются химическому разложению и последующему извлечению лития с его фиксацией в виде карбоната, гидроксида, фторида или хлорида. В этой группе три типа: пегматитовый, гранитный и глинистый. Пегматитовые месторождения – самые глубинные из них. Как правило, они имеют форму гигантских плитообразных тел или жил с раздувами и разветвлениями. Длина таких рудных тел от нескольких сотен метров до первых километров при мощности от первых метров до (очень редко) первых сотен метров. Свиты таких жил могут иногда протягиваться на первые десятки километров. Они формируются в земной коре на глубинах порядка 10–12 км и характеризуются крупными размерами слагающих их минералов, в том числе и литиеносных: обычно это сантиметры, очень часто – дециметры, но иногда и метры. Содержания Li2O в разведанных месторождениях такого типа 0.4 – 2.8%, в среднем – 1.4%. Известные пегматитовые месторождения имеют возраст в интервале 2880–25 миллионов лет и разведаны на всех обитаемых континентах (Рис.). Среди них количественно преобладают те, что возникли в интервалах 2880–2500 и 550–200 миллионов лет назад.
Гранитный тип в основном связан относительно небольшими гранитными массивами (0.5–2 км2), чаще всего – куполообразной формы, когда-то застывшими на глубине нескольких километров от дневной поверхности. Как правило, литиеносные рудные тела находят или в верхней части таких массивов и/или непосредственно над ними. Минералы лития в таких рудах обычно имеют размеры в первые миллиметры. Однако в данном типе известны единичные примеры, когда магмы такого же состава, что и литиеносные граниты, извергались на поверхность в виде лав, лавовых брекчий и туфов. В таких рудных телах литий не имеет минеральной формы, а находится в нераскристаллизованном вулканическом стекле. Содержания Li2O в разведанных месторождениях такого типа 0.2 – 1.2%, в среднем – 0.6%. Почти все они, за единственным исключением в Южной Америке, разведаны в Евразии, и имеют возраста в интервале от 480 до 7 миллионов лет.
Глинистый тип залежами пород, накопленных в озерах вулканически активных областей с засушливым климатом и изначально содержавших вулканический пепел, обогащенный литием. Позднее под воздействием разных приповерхностных процессов (глубина – десятки – первые сотни метров) этот пепел разложился, а литий адсорбировался на глинистых минералах некоторых слоев в этих вулканогенно-осадочных толщах. Содержания Li2O в разведанных месторождениях такого типа 0.1 – 0.6%, в среднем – 0.3%. Есть одно месторождение, Ядар (Сербия), в котором процессы трансформации глинистых минералов в таких рудах прошли более долгий путь на большей глубине, что привело к массовому образованию минерала ядарита из группы боросиликатов и очень богатых руд (1.8% Li2O). Нигде в других местах этот минерал пока не найден. Месторождения глинистого типа в основном разведаны на юго-западе Северной Америки, единичные объекты выявлены в Европе и Азии. Почти все они моложе 15 миллионов лет, и только одно из них на порядок древнее.
Рис. Глобальное распределение месторождений лития разных типов и разных возрастов с оцененными по результатам геологоразведочных работ ресурсами не меньше 100 тыс. т Li2O. Условные обозначения: 1–5 –типы месторождений: 1 – пегматитовый, 2 – гранитный, 3 – глинистый, 4 – саларный, 5 – геотермальный, 6 – нефтегазовых полей; 7–11 возрастные группы месторождений (млрд лет): 7 – древнее 2.5, 8 – 2.1–1.7, 9 – 1.1–0.9, 10 – 0.55–0.19, 11 – моложе 0.19.
Среди месторождений рассольной группы наиболее значительные ресурсы лития оценены в саларном типе. Такие месторождения локализуются в сезонно пересыхающих (отчасти или полностью) соленых озерах в современных тектонически активных районах с засушливым климатом. В основном практический интерес представляет межзерновой рассол (рапа) в осадках таких озер. Обычно этот рассол выкачивают на поверхность, где он проходит несколько этапов выпаривания, а затем путем химических реакций со специально подобранными химикатами из остаточного рассола получают соединения лития. В последние годы на некоторых объектах оценивают и поверхностный гораздо менее концентрированный, чем рапа, рассол. Это стало возможно после разработки эффективных технологий прямого извлечения лития (мембраны, ионно-обменные смолы и т.п.), для которых стало необязательным даже предварительное выпаривание рассолов. Средние содержания Li2O в месторождениях такого типа 0.02 – 0.36%, в среднем – 0.12%. В мире известно только три провинции с такими месторождениями: на юго-западе США, на плато Альтиплано-Пуна в Андах и на Тибетском плато.
Месторождения геотермального типа связаны глубоко циркулирующими термальными водами (2.0–5.5 км) в областях, примыкающих к формирующимся в настоящее время горным системам. Из таких рассолов, всегда фонтанирующих, вначале получают тепловую и электрическую энергию, а затем, перед обратной закачкой в недра, из них можно получить и литий посредством технологий прямого извлечения. Средние содержания Li2O в них 0.03 – 0.04%. Геологоразведочные работы на таких месторождениях проводились в Верхнерейнском рифте Западной Европы, в Предкавказском прогибе и на юго-западе США.
Месторождения лития нефтегазовых полей связаны с рассолами, которые практически всегда окружают залежи углеводородов, причем на гораздо более широких пространствах. Такие рассолы пригодны для извлечения лития только посредством технологий прямого извлечения. Средние содержания Li2O в них 0.02 – 0.08%. В настоящее время такие месторождения активно разведываются в Северной Америке и менее широко – в Восточной Сибири.
РАЗВЕДАННАЯ РЕСУРСНАЯ БАЗА В МИРЕ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В мировой ресурсной базе, сформированной по результатам геологоразведочных работ и составляющей около 250 миллионов тонн Li2O, самая большая доля у месторождений саларного типа – около 40%, около четверти – у пегматитового типа, почти 15% – у глинистого, остальное почти поровну распределено между остальными тремя типами. По очень приблизительным подсчетам USGS, из всей этой ресурсной базы на данный момент только около 25% имеют доказанную рентабельность добычи, т.е. относятся к категории промышленных запасов. В этой части ресурсной базы преобладание месторождений в саларах и пегматитах еще более значительное: около 52% и 40%, соответственно. Если же перейти к данным о роли месторождений разных типов в добыче первичного лития из недр, то окажется, что в последние годы около 58% добывали из пегматитов, около 38% – из саларов, около 3% из гранитов и только 1% – из всех прочих. Столь малая роль месторождений из категории «всех прочих» связана с тем, что они все с относительно низкими содержаниями лития, а также со сложным составом рассолов. Поэтому они привлекли к себе практический интерес только на рубеже ХХ и ХХI веков, когда стало заметно расти потребление этого элемента, с одной стороны, и начали разрабатываться эффективные технологии его извлечения из нетрадиционных видов минерального сырья с низкими содержаниями и сложными химическими составами, с другой. Первые представители месторождений глинистого, геотермального и нефтегазовых полей типов только сейчас вступают в стадию промышленной эксплуатации. Что же касается пегматитового и саларного типов, которые можно назвать традиционными, то их промышленное значение в последнюю четверть века значительно поменялось на практически обратное соотношение по сравнению с рубежом веков на заре «литиевого бума», когда до двух третей лития получали из саларов. Однако наиболее оперативно на этот бум отреагировали рудники именно на пегматитовых месторождениях.
Самая крупные запасы лития разведаны в Чили (31% от общемировых), где они сосредоточены в только в саларах, и в Австралии (23%), где разведаны только пегматитовые месторождения. Также очень крупными запасами обладает Аргентина (13%, все в саларах) и Китай (10%, в пегматитах, гранитах и саларах). В добыче (USGS, 2023 г.) доминируют эти же страны, но несколько в ином порядке: Австралия – 45%, Чили – 20%, Китай – 18%, Аргентина – 4%. Также постоянно растет добыча в Зимбабве (7%), где активно развиваются компании с ведущей ролью китайского капитала. Также нельзя не отметить, что почти все литиевое сырье, добытое в Австралии и странах Африки, а также более половины добытого лития в Южной Америке отправляется на финальную промышленную переработку с получением конечной продукции в Китай.
СЫРЬЕВАЯ БАЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ ОСВОЕНИЯ
Собственной добычи лития в стране нет с конца ХХ в., когда было законсервирован рудник на Завитинском пегматитовом месторождении в Забайкалье. Все литиевые полуфабрикаты, используемые российскими предприятиями, поставляются по импорту.
Государственным балансом РФ учитывается около 3.5 миллионов тонн запасов Li2O. Из них 70% разведано в пегматитах (Мурманская обл., Иркутская обл., Забайкальский край, Тыва), остаток приходится на гранитный тип (Приморский край, Тыва, Забайкальский край). Все месторождения были разведаны в ХХ в., преимущественно в его середине. Поэтому соответствие этих запасов современным требованиям промышленности находится под вопросом: для их вовлечения в эксплуатацию потребуется новая переоценка. Кроме того, известны и предварительно оцененные, но не поставленные на федеральный учет месторождения нефтегазовых полей (Иркутская обл.) и геотермальных вод (Дагестан).
В последние годы, в связи со взятым государственным курсом на импортозамещение во всех сферах экономики, российские компании возобновили интерес к отечественным месторождениям, прежде всего пегматитовым, на которые выданы четыре лицензии на проведение геологоразведочных и последующих добычных работ: Колмозерское, Полмостундровское (оба – Мурманская обл.), Тастыгское (Тыва) и Завитинское. В последнем случае лицензировано не само месторождение, а отвалы законсервированного рудника, в которых складировались непромышленные, на время их эксплуатации, руды.
Наиболее быстрыми темпами проводится переоценка Колмозерского месторождения – самого крупного в России. Оно было открыто в 1947 г., и разведано в 1950-е гг. По данным «Государственного доклада о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2022 г.» (URL: https://www.mnr.gov.ru/docs/gosudarstvennye_doklady/), в этом объекте учтены запасы свыше 800 тыс. т Li2O при среднем содержании 1.13%. В 2023 г. лицензию на его переоценку с последующей эксплуатацией получила компания «Полярный литий» (совместное предприятие «Норникеля» и «Росатома»). Согласно информации интернет-издания KN51.RU, полученной от геологической службы компании, полевые геологоразведочные работы уже завершены и в конце 2025 г. планируется утверждение новых запасов с существенным их увеличением и более высоким средним содержанием. Также уже ведутся предварительные работы по подготовке строительства рудника и обогатительного комплекса. Основная продукция этого комплекса – минеральный сподуменовый концентрат, который будет вывозиться на предприятия, производящие более продвинутые литиевые продукты. Для освоения месторождения также потребуется строительство специальной энергетической, дорожной и прочей инфраструктуры: до ближайшего населенного пункта около 90 км, а до ближайшей железной дороги свыше 160 км. Ожидается, что на полную мощность добычной комплекс может выйти к 2030 г., но опытно-промышленная эксплуатация, возможно, начнется в 2026 г.
В районах месторождений углеводородного сырья Восточной Сибири также идут работы по оценке запасов и разработке технологии переработки пластовых рассолов в окружающих эти месторождения толщах. В принципе, почти на всей территории распространения палеозойского чехла Сибирской платформы такие рассолы известны. Однако в тех районах, где уже ведется добыча углеводородов, существует значительная часть инфраструктуры, необходимой для добычи лития из подобных залежей. Наиболее продвинутые проекты расположены вблизи нефтегазокондесатного месторождения Ярактинское («Иркутская нефтяная компания») и газоконденсатного Ковыктинское («Газпром»). Пока официальной информации о начале промышленной добычи лития здесь не поступало.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литий – важнейший металл для современной инновационной промышленности. Поэтому все страны, которые заинтересованы в развитии таких производств у себя, уделяют большое внимание обеспечению имеющихся и планируемых потребностей этим минеральным ресурсом, развивая как свою сырьевую базу и ее эксплуатацию, так и/или аналогичные проекты в других странах с перспективным в данном аспекте геологическим строением. Российская Федерация имеет промышленные предприятия, использующие литиевую продукцию импортного происхождения. Вместе с тем, наша страна имеет все предпосылки для организации собственных производств для получения первичного лития. Это позволит, во-первых, заместить импортное сырье, застраховав в данном аспекте отечественную экономику от любых геополитических рисков, а во-вторых, создаст возможности для появления новых инновационных предприятий.
Автор материала: д.г.-м.н., г.н.с. Ткачев Андрей Владимирович Государственный, геологический музей РАН им. Вернандского
