Глибоководні мулі — практично невичерпне джерело рідкоземельних металів

Ріс. 1. Острів Мінаміторі — найбільш східний з островів, що належать Японії. Острів настільки малий, що на ньому не поміщається нічого, крім злітно-посадкової смуги і декількох будівель. Однак запасів рідкоземельних елементів в навколишній його 200-мильній виключній економічній зоні вистачить не тільки Японії, але і всьому світу на багато років. Фото з сайту ru.wikipedia.org

Рік за роком у світі зростає попит на рідкоземельні метали — елементи, які необхідні у багатьох новітніх розробках в електроніці, альтернативній енергетиці, автомобілебудуванні та інших високотехнологічних сферах. Особливо велика потреба в рідкоземельних металах так званої іттрієвої (або важкої) групи (REY або HREE), в яку входять ітрій і важкі лантаноїди від європія до лютеція. Японія — найбільший у світі споживач цих металів — не мала до останнього часу власних родовищ і повністю залежала від імпорту з Китаю. Тому відкриття на дні океану біля берегів Японії величезних, практично невичерпних запасів глибоководних мулів, збагачених рідкоземельними металами, і отримана нещодавно більш точна оцінка їх запасів — найважливіша подія як в науковому, так і в економічному житті не тільки Японії, але і всього світу: в результаті може з’явитися нова галузь з видобутку рідкоземельної сировини з дна океану.

До 2011 року виділялися три типи рудних корисних копалин, що залягають в океанах, — залізомарганцеві конкреції (ЖМК), кобальто-марганцеві кірки (КМК) і глибоководні поліметалічні сульфіди (ДПС). ЖМК і особливо КМК містять у своєму складі рідкоземельні елементи, що робило їх вкрай привабливими з точки зору видобутку. У 2011 році японські вчені повідомили про відкриття ще одного виду морських корисних копалин, також збагачених рідкоземельними елементами іттрієвої групи (REY — rare-earth elements and yttrium), — глибоководних мулів, які широко поширені на морському дні в Тихому океані (Y. Kato et al., 2011. Deep-sea mud in the Pacific Ocean as a potential resource for rare-earth elements). За першими оцінками, тільки на одному квадратному кілометрі морського дна може залягати так багато REY, що можна буде забезпечити одну п’яту частину всієї світової потреби за рік.

Під час досліджень було проаналізовано близько 80 зразків мулів, піднятих з глибин від 3,5 до 6 км. Концентрація корисних компонентів в мулах тоді оцінювалася на рівні 1000-2200 ppm (мільйонних часток) для іттрію і 200-400 ppm для важких рідкоземельних елементів (HREE — heavy rare-earth elements, від європія до лютеція). У наземних родовищах концентрації можуть бути на порядок більше, але потенційні ресурси морських родовищ величезні, а потреба Японії у власній рідкоземельній сировині вкрай велика. Близько 90% всіх рідкоземельних металів у світі видобувається на території Китаю, при цьому 60% з них імпортує Японія. Китай постійно вводить квоти і торгові обмеження, що негативно позначається на розвитку японської електронної та оборонної промисловості. Потенційні ризики, пов’язані з обмеженістю запасів рідкоземельних металів іттрієвої групи, викликають величезний інтерес до комерційної розробки ресурсів морського дна. Тому дослідження були продовжені за підтримки різних наукових і промислових організацій та уряду Японії.

У 2013 році в північно-західній частині Тихого океану в японській винятковій економічній зоні (ІЕЗ) біля японського острова Мінаміторі (друга назва — острів Маркус, рис. 1) в рейсі KR13-02 глибоководного науково-дослідного судна KAIREI були виявлені глибоководні мулі з вмістом REY від 2000 до 5000 ppm і більше (K. Ijima et. Discovery of extremely REY-rich mud in the western North Pacific Ocean). Рідкоземельні метали були сконцентровані в товщі мулів потужністю до 10 м, розташованих на глибині 5500-6000 метрів. Іли були збагачені саме важкими рідкісними землями, а їхні ресурси були попередньо оцінені як «величезні». Плюс до всього, іли практично не містили радіоактивних елементів (урану і торію), а їх видобуток і збагачення, на перший погляд не становили особливих проблем. У зв’язку з цим REY-що містять глибоководні мили острова Мінаміторі були оголошені новим перспективним джерелом рідкоземельних елементів, а дослідження щодо можливості їх видобутку, збагачення та економічної оцінки продовжилися.

Крім своєї наземної території, країни, що виходять до океанів і морів (прибережні держави), в якості своєї мінерально-сировинної бази можуть розглядати і прилеглу територію морського дна. Конвенція ООН з морського права 1982 року надала прибережним державам право встановлювати в прилеглих акваторіях виняткову економічну зону шириною до 200 морських миль (370,4 км), в якій визнаються суверенні права на розвідку і розробку природних сировинних ресурсів.

Підсумком чергового етапу вивчення глибоководних рідкоземельних мулів району острова Мінаміторі є стаття в журналі Scientific Reports, підготовлена групою японських вчених на чолі з Ютаро Такайєю (Yutaro Takaya) з Університету Васеда в Токіо.

Ріс. 2. Розташування вивченої ділянки Тихого океану на батиметричній карті. Білим пунктиром позначена виняткова економічна зона Японії (на півночі Японія наполегливо намагається включити в зону своїх економічних інтересів південні острови Курильської гряди з прилеглою акваторією). Різнокольоровими зірочками показані місця відбору проб в ході проведення чотирьох розвідувальних рейсів. Білий прямокутник — площа, на якій проводився підрахунок запасів. Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Оцінка ресурсів REY в глибоководних мулах проводилася за допомогою геоінформаційної системи ArcGIS (версія ArcMAP 10.4), розробленої на основі методу зворотних зважених відстаней (див.: Inverse distance weighting). Вивчена територія площею близько 2500 км² була розділена на 24 комірки, в кожній з яких оцінка проводилася в 10 зрізах (на глибинах від 0 до 10 м від поверхні) (рис. 2 і 3). Як базу для підрахунку ресурсів використовували 573 зразки, відібрані командою дослідників під час чотирьох дослідницьких рейсів, а також 104 зразки, отримані в попередніх рейсах.

Ріс. 3. Засновані на модельних розрахунках карти середнього змісту REY в мулі на різних глибинах від поверхні дна (від 0 до 10 м). Білими точками позначені місця відбору проб. Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Сумарні ресурси всієї площі по рідкоземельних оксидах становлять близько 16 млн тонн при середньому утриманні REY 964 ppm. Іттрій і HREE становлять близько 44% всіх рідкоземельних елементів на вивченій території: запаси іттрію — 4,4 млн тонн у перерахунку на оксид, а запаси HREE — 2,6 млн тонн у перерахунку на оксиди. Цих ресурсів достатньо, щоб постачати весь світ ітрієм, європією, тербієм і диспрозієм протягом 780, 620, 420 і 730 років відповідно. Особливо перспективна ділянка V1 (розмірами 9,9 км ст.1 10,6 км = 105 км²) із середнім вмістом REY близько 1700 ppm. Обсяг ресурсів однієї цієї ділянки становить 1,2 млн тонн рідкоземельних оксидів, що може забезпечити річний попит на Y, Eu, Tb, і Dy на 62, 47, 32 і 56 років, відповідно.

Раніше за допомогою методів рентгеноспектрального аналізу (аналізу тонкої структури спектрів поглинання рентгенівських променів) і мікрорентгенівської флюоресценції (див.:Micro-X-ray fluorescence) було встановлено, що головним мінералом-концентратором REY в глибоководних мулах є апатитова мінеральна фаза (фосфат кальцію) (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). Автори обговорюваної статті в Scientific Reports встановили, що REY адсорбуються з морської води присутнім в мулах біогенним фосфатом кальцію (БФК) морських відкладень. Вони провели дослідження БФК методами рентгеноспектрального мікроаналізу, лазерної абляції та мас-спектрометрії з індуктивно-пов’язаною плазмою і з’ясували, що вміст REY в БФК зазвичай перевершує 15000 ppm, іноді досягаючи 22000 ppm, і саме БФК є головним мінералом-концентратором REY в глибоководних ілах.

Головним недоліком морських руд порівняно з наземними є низька якість — низький вміст у них корисних компонентів. Автори запропонували простий і недорогий спосіб збагачення морської рідкоземельної руди прямо на місці видобутку за допомогою методу гідроциклонної сепарації, який потім може застосовуватися і на промисловій стадії. Дію гідроциклонного сепаратора побудовано на відділенні важких/великих зерен від легких/дрібних. Під час дослідження використовувався гідроциклонний сепаратор, завдання якого полягало в тому, щоб відокремити фракцію з частинками понад 15 мкм, що містить мінерали-концентратори рідкісних земель, від шламу (рідкої глини). У гідроциклоні зважка ділилася на два потоки: верхній (легкий) і нижній (важкий). Було взято три проби в точках з низьким (722 ppm), середнім (2315 ppm) і високим (4802 ppm) вмістом REY. Після поділу проб зміст REY склав відповідно: у верхньому потоці 429, 997 і 994 ppm, в нижньому — 1401, 6031 і 8902 ppm при виході REY в нижньому потоці відповідно 70,7, 75,0 і 93%. Таким чином, було показано, що найпростіша гідроциклонна сепарація дозволяє прямо на місці видобутку підвищити якість руди приблизно в два рази. Це робить видобуток мулів значно ефективнішим, знижуючи вартість підйому руди на поверхню. Подальше гранулометричне збагачення, при якому селективно відсортовувалися зерна БФК, що становлять найгрубішу фракцію (38-100 мкм), дозволили збагатити руду до 50 разів.

Результати обговорюваного дослідження дозволяють перевести рідкоземельні глибоководні мулі з категорії потенційних корисних копалин в категорію промислових. У Японії з’являється можливість стати незалежною в питаннях забезпечення промисловості та економіки рідкоземельними елементами, а у геологів всього світу — необхідність по-новому поглянути на сировинний потенціал Світового океану.

Джерело: Yutaro Takaya et al. The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements // Scientific Reports. 2018. V. 8. DOI: 10.1029/2018GL077090.

Владислав Стрекопитов