Титан в земной коре

Теперь, когда мы в основном познакомились с титаном, его свойствами и с распространенностью в нашей Вселенной, рассмотрим, как же ведет себя этот элемент в самой верхней, доступной нашим исследованиям оболочке Земли - в земной коре, в каких породах его больше, а в каких меньше, какие минералы, т. е. химические природные твердые соединения, он образует, при каких условиях появляются крупные скопления титановых минералов, т. е. месторождения титана, из которых технически возможно и экономически выгодно получать чистый металл. Одним словом - сейчас наш рассказ о титане и земной коре.

Выше мы уже показали, что титана в земной коре, в целом на всю литосферу, содержится 0,45%. Но земная кора неоднородна, она сложена породами различного состава, и для каждой из них характерны свои особенности химизма, в том числе и содержаний титана. Существует четыре основные группы пород земной коры:

• магматические глубинные (интрузивные) породы и их жильные отщепления - дайки, пегматиты и жилы различного состава. Образовались эти породы в результате застывания расплавленной магмы под мощным слоем вышележащих пород на различных, иногда очень больших, глубинах земной коры;
• эффузивные, вулканические породы, вылившиеся на поверхность магматические расплавы, застывшие в поверхностных (или близповерхностных) условиях в виде пористых ноздреватых лав, послойных траппов и т. п.;
• осадочные породы, возникшие в результате сноса и осаждения в древних и современных морях и океанах тонкозернистых продуктов разрушении различных горных пород материков;
• метаморфические и метасоматические породы, являющиеся продуктами перекристализации и изменения первичных магматических и осадочных пород, сформировавшиеся под воздействием тектонических усилий, давления, температур, горячих минерализованных растворов и других факторов.

Рассмотрим подробнее распространенность титана в перечисленных типах пород земной коры.

Среди магматических пород по соотношению основных породообразующих минералов - плагиоклазов (кальций-натриевых алюмосиликатов), ортоклаза-микроклина (калиевых алюмосиликатов), кварца (оксида кремния) и так называемых темноцветных минералов, т. е. слюд, - оливина, пироксенов, амфиболов (железо-магниевых силикатов и алюмосиликатов) - выделяют следующие главные типы пород:

• ультраосновные, состоящие в основном из оливина, пироксенов (амфиболов) с очень небольшим количеством кальциевых плагиоклазов (андезина, анортозита, лабрадорита и т. д.);
• основные, сложенные кальциевыми плагиоклазами с подчиненным количеством темноцветных минералов (габбро, диабазы и др.);
• средние, в составе которых появляется кварц (до 5%), а в основном - кальциевые плагиоклазы (типа диоритов) или калиевые полевые шпаты (типа сиенитов) с темноцветными минералами (20-25%);
• кислые - граниты, липариты, состоящие на 20-30% из кварца, на 35-45 из калиевых полевых шпатов, на 20-30 из плагиоклазов существенно натриевого состава и на 5-7 (до 10-15%) из темноцветных минералов, в основном слюд;
• щелочные и фельдшпатоидные бескварцевые породы состоят из щелочных (натрий-калиевых) полевых шпатов, щелочных (натриевых) пироксенов и амфиболов.

Породы с калиевым полевым шпатом (ортоклазом) называются щелочными сиенитами, с натриевым шпатом (альбитом) и натриевым фельдшпатоидом (нефелином) - нефелиновыми сиенитами. Есть породы, сложенные в основном щелочными темноцветными пироксенами (эгирином) и амфиболами (рибекитом) с небольшим количеством альбита, нефелина. Они именуются ультраосновными щелочными породами. С ними связаны и своеобразные магматические горные породы, сложенные из одного кальцита, - карбонатиты.

Все перечисленные выше типы глубинных магматических пород имеют свои излившиеся на поверхность (эффузивные) аналоги и жильные ответвления (дериваты).

Ультраосновные породы - магматические дуниты, перидотиты и др. - являются производными глубинных, мантийных зон Земли. Их химический состав характеризуется высокими содержаниями магния и железа, отсутствием свободного кремнезема. Титана в этих породах очень мало, в среднем всего 0,02%. Собственных титановых минералов в них не обнаружено. В жильных отщеплениях ультраосновных пород - пикритах, диаллагитах, эклогитах - содержание диоксида титана повышается до 0,5-1,5%. Здесь же обнаруживаются собственные титановые минералы, и основном магний-железистые ильмениты.

Своеобразными ультраосновными породами, слагающими жерла древних вулканов, но застывшими на больших глубинах, являются кимберлиты трубок взрыва. С ними, как известно, связаны месторождения алмазов в Африке и на Сибирской платформе. Так вот, в них кимберлитах почти повсеместно широко распространен магниевый ильменит, называемый гейкиллитом. Поэтому из всех ультраосновных пород кимберлиты наиболее высокотитанистые: они содержат в среднем 1,5% TiO₂.

Основные породы, в которых резко уменьшается количество темноцветных минералов - силикатов и алюмосиликатов железа и магния, но появляются кальциевые плагиоклазы типа лабрадора, битовнита, андезина, наиболее богаты титаном. В среднем они содержат 0,5-1,5% TiO₂, в том числе глубинные основные породы типа габбро, габбро-норитов и др. - 0,97, их жильные и пластовые отщепления диабазы - 1,45, излившиеся базальты - 2,19%. Интересно отметить, что породы типа земных базальтов широко распространены на Луне и на Венере. Во многих образцах лунного базальта титана значительно больше, чем в базальтах Земли, например в базальтовых породах, взятых "Аполлоном-12", 2,2% титана, а в породе базальтового типа, доставленной автоматической станцией "Луна-16", 2,9%.

К основным породам приурочены главные титановые месторождения, в которых содержание диоксида титана достигает 7-30%. Именно месторождения из габброидных пород и эксплуатируются человеком.

Средние породы типа диоритов и сиенитов, сложенные плагиоклазами, полевыми шпатами с небольшим (до 30%) количеством темноцветных и до 5% кварца, отличаются невысокими содержаниями титана. Как правило, в них диоксида титана в среднем 0,67% в сиенитах и 0,84% в диоритах. В излившихся аналогах сиенитов - трахитах - среднее содержание диоксида титана снижается до 0,38%, а в андезитах (эффузивных аналогах диоритов) оно составляет 0,77%.

В нефелиновых сиенитах - породах, как правило обогащенных окислами и силикатами титана (минералами типа ильменита, неровскита, сфена), титана больше, в среднем около 1%. Примерно столько же титана и в ультраосновных щелочных породах.

В наиболее распространенных магматических глубинных породах - гранитах - среднее содержание титана составляет 0,39%, но в зависимости от типа гранитов колеблется от 0,11 до 0,57%. В жильных гранитоидных породах (аплитах и др.) и в излившихся гранитных эффузивах (липаритах) титана становится меньше - в среднем 0,3-0,33%.

Ну, а теперь проследим, как накапливается титан в осадочных и метаморфических торных породах. Выше мы уже упоминали, что практически все осадочные породы земной коры, по существу, вторичные образования. Это не что иное, как продукты разложения и разрушения первичных магматических (глубинных и излившихся на поверхность) пород, транспортировки и переотложения, оседания и уплотнения этих продуктов на суше и в большей степени в различных частях морских и океанических глубин. Затем длящиеся сотни миллионов лет процессы опускания суши и поднятия глубинных частей земной коры привели к воздыманию морских осадков, их затвердеванию и образованию твердых пород уже в поверхностных условиях.

В целом осадочных пород в земной коре немного - всего около 10% массы литосферы, но они покрывают 75% поверхности Земли и являются важнейшим источником многих полезных ископаемых. Считается, что около двух третей всего количества полезных ископаемых, извлекаемых из недр Земли, заключено в осадочных горных породах: уголь, нефть, соли, строительные материалы, фосфориты, руды железа и марганца, россыпи многих металлов.

Какие же типы осадочных пород встречаются в земной коре и как в них распространен титан? В зависимости от способа образования выделяют около 10 групп различных осадочных пород: обломочные (брекчии), глинистые (глины, аргиллиты, глинистые сланцы), глиноземистые (бокситы), железистые, марганцевые, песчаные (пески и песчаники), карбонатные (известняки, доломиты), соли, каустобиолиты и др.

Преобладают среди осадочных горных пород глинистые, их около 50%, остальные 50% приходится на песчаные (около 25%), карбонатные (около 20%) породы и пр. (5%). В целом, по наиболее достоверным данным советского ученого Л. Б. Рухина, соотношение этих трех главных типов осадочных пород составляет 5:3:2.

В глинах различных типов содержания титана колеблются в сравнительно небольших пределах, а в среднем, по данным Ф. Кларка (1024 г.), 0,65%. По сегодняшним представлениям эта величина занижена. Существует много анализов глин различного минерального состава и происхождения, в которых титана более 1%, например в глинах, сложенных каолинитом, монотермитом, гидрослюдами, от 0,8 до 2,9%. А вот монтмориллонитовые и бейделлитовые глины несут всего десятые доли (максимум до 0,7) процента диоксида титана. Особенно богаты им глины кор выветривания пород основного состава. В них, как правило, более 1% диоксида титана, а в некоторых массивах 5-10%. Эти глины могут рассматриваться как титановые месторождении.

Разные по возрасту глины различаются по содержанию диоксида титана, иногда довольно существенно. Интересно отметить, что, по данным советских геохимиков А. П. Виноградова и А. В. Ронова, в глинистых толщах разного возраста Русской платформы содержания диоксида титана уменьшаются от древних к молодым глинам. Наиболее древние глины докембрия и кембрия содержат 0,84-0,88% диоксида титана, в глинистых осадках палеозоя - до 0,80%, а в наиболее молодых, мезозойских и кайнозойских глинах в среднем составляет соответственно 0,75 и 0,62%. В общем глины с содержанием менее 0,5% встречаются исключительно редко. При этом следует сказать, что даже самые тонкие фракции глины, с размером частиц менее 1 мкм, как правило, несут около 1 % диоксида титана, а иногда и более.

В песчаных осадочных породах (песчаники, пески) количество титана переменно. По данным Ф. Кларка, в среднем в песчаниках 0,25%, по оценкам советского ученого М. С. Швецова - 0,41%. Для приуральских аркозовых песчаников пермского возраста А. В. Пустовалов указывает 0,21-0,41%. Наиболее вероятное среднее содержание TiO₂ в песчаниках 0,3%.

В песках различного происхождения содержания диоксида титана колеблются в очень широких пределах, для большинства песковых отложений - от сотых до первых десятых долей процента, в среднем 0,2%. Но к песковым отложениям прибрежно-морских зон, как современных, так и древних, приурочены нередко обогащенные титановыми минералами участки, содержащие до сотен килограммов на кубометр песков ильменита и рутила. В таких песках содержание ТiO₂ повышается до многих процентов.

Вдоль древних, погребенных долин рек и террас выявлено немало песковых отложений континентального типа, где от 1 до 10% ТiO₂ и более. Здесь он связан в основном с ильменитом. Пески с таким высоким содержанием ТiO₂ слагают собственно титановые месторождения и отрабатываются промышленностью.

Обнаружение титаноносных песков с диоксидом титана до 10% позволяет поднять средний кларк титана в песковых отложениях земной коры примерно до 0,45-0,46%.

Карбонатные осадочные породы земной коры представлены в основном известняками (карбонатами кальция) и доломитами (карбонатами кальция и марганца). Титана в них, как правило, немного. Средний кларк титана в карбонатных породах составляет всего лишь 0,12%. Практически во всех известных анализах известняков и доломитов содержание титана составляет "следовые" количества, т. е. на уровне тысячных - первых сотых долей процента, и лишь единичные анализы дают десятые доли, максимально до 0,8%.

Помимо вышеперечисленных основных типов осадочных пород - глинистых, песчаных и карбонатных, редко встречаются кремнистые осадочные породы биогенного происхождения (диатомиты, радиоляриты, снонголиты и т. п.), представляющие собой окремненные остатки морских подводных растений. В них 0,04 - 0,22% диоксида титана, т. е. немного выше, чем в карбонатных породах.

Несколько слов о титане в рудных осадочных образованиях. Руды алюминия - бокситы являются высокотитанистыми образованиями. В зависимости от минерального типа бокситов и их происхождения содержание диоксида титана в них колеблется от десятых долей до 3-4,5%, в среднем 1-1,5%; в некоторых месторождениях бокситов в отдельных пробах 5-8%, иногда 18%. Но минеральная форма нахождения в них титана очень сложная, обычно тонкодисперсные окислы титана или вторичные образования. Извлечение титана из таких бокситов на современном уровне технологически и экономически нецелесообразно даже при содержании диоксида титана свыше 10%.

В осадочных железных рудах содержатся сотые-десятые доли процента диоксида титана: железистые кварциты Курской магнитной аномалии - от "следов" до 0,12%, керченские руды - 0,22-0,32, сидеритовые руды - 0,32%. В марганцевых рудах Чиатурского месторождения всего 0,07% ТiO₂.

В осадочных глубоководных образованиях современных морей и океанов титан распространен практически повсеместно и во всех типах осадков. Наиболее молодые, пелагические осадки, т. е. глубоководные донные осадки открытого моря или океана, образовавшиеся путем медленного накопления вдали от берегов мельчайших, взвешенных в воде частиц (скелетных остатков планктонных микроорганизмов, глинистых, обломочных минералов, вулканического пепла и т. п.), представлены тремя основными типами - так называемой красной глубоководной глиной, известковым илом и кремнистым илом. Содержание титана в каждом из этих типов осадков составляют соответственно 0,96, 0,25 и 0,59%. Как видим, и здесь, в глубоководных отложениях, наиболее богаты титаном глинистые и кремнистые образования, а известковые резко обеднены титаном.

Весьма богаты титаном марганцевые конкреции, поднятые со дна Тихого и Атлантического океанов. Так, по данным 54 анализов образцов марганцевых конкреций, поднятых со дна Тихого океана, титана в них в среднем содержалось 0,67 %. При этом наблюдается прямая корреляционная связь между марганцем и титаном: чем больше марганца, тем больше и титана. В конкрециях марганца, поднятых со дна Атлантического океана (четыре образца), титана обнаружено 0,3-1,3%.

В метаморфических породах земной коры содержание диоксида титана колеблется в очень широких приделах - от нуля и "следов" до первых процентов (до 1,8%), единичные анализы дают до 5-7%. Связано это с тем, что метаморфические породы, как уже говорилось, представляют собой измененные под действием различных факторов первичные магматические или осадочные породы. По тому, сколько титана в исходных, первичных породах, можно судить о содержании его в метаморфических породах. Например, в гнейсах и сланцах, обрадованных из известняков, может вообще не быть титана, в гранитогнейсах, возникших из гранитов, - на уровне первых десятых долей процента, а вот эклогиты и амфиболиты, сформированные из основных пород, несут 1-2% титана, а иногда и до 7%. В некоторых амфиболитах известны даже самостоятельные месторождения титана.