Metalli

La geologia degli elementi delle terre rare



Ripubblicato da: I principali depositi di elementi di terre rare degli Stati Uniti, USGS Scientific Investigations Report 2010-5220Di Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley e Daniel Cordier.

Mappa degli elementi delle terre rare: I distretti di elementi di terre rare negli Stati Uniti si trovano principalmente a ovest. Questa mappa mostra la posizione di potenziali luoghi di produzione - ingrandisci la mappa per vedere tutti i luoghi.

Gli elementi delle terre rare non sono "rari"

Diversi aspetti geologici della presenza naturale di elementi di terre rare influenzano fortemente la fornitura di materie prime di elementi di terre rare. Questi fattori geologici sono presentati come dichiarazioni di fatti seguite da una discussione dettagliata.

Sebbene gli elementi delle terre rare siano relativamente abbondanti nella crosta terrestre, raramente sono concentrati in depositi di minerali minabili.

La concentrazione media stimata degli elementi delle terre rare nella crosta terrestre, che varia da circa 150 a 220 parti per milione (tabella 1), supera quella di molti altri metalli che vengono estratti su scala industriale, come il rame (55 parti per milioni) e zinco (70 parti per milione). A differenza della maggior parte della base estratta commercialmente e dei metalli preziosi, tuttavia, gli elementi delle terre rare sono raramente concentrati in depositi di minerali minabili.

Concentrazioni di elementi di terre rare

Le principali concentrazioni di elementi di terre rare sono associate a varietà insolite di rocce ignee, vale a dire rocce alcaline e carbonatiti. Concentrazioni potenzialmente utili di minerali contenenti REE si trovano anche nei depositi di placer, depositi residui formati da agenti atmosferici profondi di rocce ignee, pegmatiti, depositi di rame-oro di ossido di ferro e fosfati marini (Tabella 2).


Tabella 1: Abbondanze di elementi di terre rare

Elemento di terre rareWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lantanio30395 a 18
Cerio6066.520 a 46
praseodimio6.79.2Da 3,5 a 5,5
neodimio2741.512 a 24
Samario5.37.05Da 4,5 a 7
Europium1.32Da 0,14 a 1,1
Gadolinio46.2Da 4.5 a 6.4
Terbio0.651.2Da 0,7 a 1
dysprosium3.85.24.5 a 7.5
olmio0.81.3Da 0,7 a 1,2
Erbio2.13.5Da 2,5 a 6,5
Tulio0.30.52Da 0,2 a 1
Itterbio23.2Da 2,7 a 8
Lutezio0.350.8Da 0,8 a 1,7
Ittrio243328 a 70
scandio1622Da 5 a 10
Totale184.3242.17

Tabella 1. Stime delle abbondanze crostali di elementi di terre rare. Elementi di terre rare elencati in ordine crescente di numero atomico; l'ittrio (Y) è incluso in questi elementi perché condivide somiglianze chimiche e fisiche con i lantanidi. Unità di misura, parti per milione.

Rocce ignee e magmi alcalini

Le rocce ignee alcaline si formano dal raffreddamento dei magmi derivati ​​da piccoli gradi di fusione parziale delle rocce nel mantello terrestre. La formazione di rocce alcaline è complessa e non completamente compresa, ma può essere pensata come un processo geologico che estrae e concentra quegli elementi che non si adattano alla struttura dei comuni minerali che formano la roccia.

I magmi alcalini risultanti sono rari e insolitamente arricchiti di elementi come zirconio, niobio, stronzio, bario, litio e gli elementi delle terre rare. Quando questi magmi salgono nella crosta terrestre, la loro composizione chimica subisce ulteriori cambiamenti in risposta alle variazioni di pressione, temperatura e composizione delle rocce circostanti. Il risultato è una sorprendente varietà di tipi di roccia che sono variamente arricchiti in elementi economici, inclusi gli elementi delle terre rare. I depositi minerali associati a queste rocce sono parimenti abbastanza diversi e scomodi da classificare, in quanto le caratteristiche distintive di questi depositi e la loro rarità possono comportare classificazioni che hanno solo uno o alcuni esempi noti.

Mappa geologica degli elementi delle terre rare: Mappa geologica generalizzata della maggior parte del distretto degli elementi delle terre rare Mountain Pass, California meridionale. Sono mostrate solo una minoranza rappresentativa delle centinaia di dighe shonkinite, syenite e carbonatite. Le dighe andesitiche e riolitiche diffuse, di età mesozoica o terziaria, non sono mostrate. Dal rapporto USGS Open-File 2005-1219. Ingrandire la mappa.

Classificazione dei minerali di terre rare

Anche la classificazione dei minerali legati alle rocce alcaline è controversa. La tabella 2 presenta una classificazione relativamente semplice che segue categorie analoghe per i depositi relativi a rocce ignee non alcaline. Alcune delle rocce alcaline più insolite che ospitano o sono correlate ai minerali REE sono carbonatite e fosforite, rocce ignee composte principalmente da carbonato e minerali fosfato, rispettivamente. Le carbonatiti, e in particolare le fosforiti, sono relativamente rare, in quanto vi sono solo 527 carbonatiti conosciute al mondo (Woolley e Kjarsgaard, 2008). Concentrazioni economiche di minerali contenenti REE si verificano in alcune rocce alcaline, in depositi e depositi di sostituzione del carbonato associati a intrusioni alcaline, vene e argini che tagliano complessi ignei alcalini e rocce circostanti, nonché suoli e altri prodotti di rocce alcaline.

Tavola periodica REE: Gli elementi delle terre rare sono i 15 elementi della serie di lantanidi, oltre all'ittrio. Lo scandio si trova nella maggior parte dei depositi di elementi di terre rare ed è talvolta classificato come elemento di terre rare. Immagine di.

Depositi di Placer per terre rare

Gli agenti atmosferici di tutti i tipi di rocce producono sedimenti che si depositano in un'ampia varietà di ambienti, come corsi d'acqua e fiumi, coste, ventilatori alluvionali e delta. Il processo di erosione concentra minerali più densi, in particolare l'oro, in depositi noti come placer. A seconda della fonte dei prodotti di erosione, alcuni minerali contenenti elementi di terre rare, come monazite e xenotima, possono essere concentrati insieme ad altri minerali pesanti.

La fonte non deve necessariamente essere una roccia ignea alcalina o un relativo deposito di terre rare. Molte comuni rocce sedimentarie ignee, metamorfiche e persino più vecchie contengono abbastanza monazite da produrre un placer portatore di monazite. Di conseguenza, la monazite si trova quasi sempre in qualsiasi deposito di placer. Tuttavia, i tipi di placer con le maggiori concentrazioni di monazite sono in genere placer minerali pesanti ilmenite, che sono stati estratti per pigmenti di ossido di titanio e placer di cassiterite, che sono estratti per stagno.

Deposito di terre rare di Iron Hill: Vista a nord-ovest di Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Iron Hill è formata da un massiccio stock di carbonatite che costituisce il centro di un complesso invadente alcalino. Questo complesso ospita molte risorse minerali, tra cui titanio, niobio, elementi di terre rare e torio. Immagine USGS.

Depositi residui di terre rare

Negli ambienti tropicali, le rocce sono profondamente alterate per formare un profilo del suolo unico costituito da laterite, un terreno ricco di ferro e alluminio, spesso fino a decine di metri. I processi di formazione del suolo concentrano comunemente minerali pesanti come depositi residui, risultando in uno strato di metallo arricchito sopra il substrato roccioso sottostante non trattato.

Quando un deposito di terre rare subisce tale alterazione, può essere arricchito con elementi di terre rare in concentrazioni di interesse economico. Un particolare tipo di deposito REE, il tipo ad assorbimento di ioni, è formato dalla lisciviazione di elementi di terre rare da rocce ignee apparentemente comuni e fissando gli elementi su argille nel terreno. Questi depositi sono conosciuti solo nella Cina meridionale e in Kazakistan e la loro formazione è poco compresa.

Elementi di terre rare in pegmatiti

Tra le pegmatiti, un gruppo di rocce ignee invasive a grana molto grossa, la famiglia niobio-ittrio-fluoro, comprende un gran numero di sottotipi formati in diversi ambienti geologici. Questi sottotipi hanno una composizione granitica e di solito si trovano periferici a grandi intrusioni granitiche. In generale, tuttavia, le pegmatiti contenenti elementi di terre rare sono generalmente piccole e di interesse economico solo per i collezionisti di minerali.

Altri tipi di depositi di terre rare

Il tipo di deposito di ossido di ferro rame-oro è stato riconosciuto come un tipo di deposito distinto solo dalla scoperta del gigantesco giacimento di diga olimpica nella South Australia negli anni '80. Il deposito della diga olimpica è insolito in quanto contiene grandi quantità di elementi di terre rare e uranio. Non è stato ancora trovato un metodo economico per recuperare elementi di terre rare da questi depositi. Molti altri depositi di questo tipo sono stati identificati in tutto il mondo, ma generalmente mancano informazioni sul loro contenuto di elementi delle terre rare. Tracce di elementi di terre rare sono state identificate anche in depositi sostitutivi di magnetite-apatite.

Le bauxiti carsiche, terreni ricchi di alluminio che si accumulano in calcare cavernoso (sottostante topografia carsica) in Montenegro e altrove, sono arricchiti da elementi di terre rare, ma le concentrazioni che ne risultano non sono di interesse economico (Maksimovic e Pantó, 1996). Lo stesso si può dire per i depositi di fosfato marino, che possono contenere fino allo 0,1% di ossidi REE (Altschuler e altri, 1966). Di conseguenza, è stato studiato il recupero di elementi di terre rare come sottoprodotto della produzione di fertilizzanti fosfatici.

I minerali degli elementi delle terre rare sono mineralogicamente e chimicamente complessi e comunemente radioattivi.

Elaborazione minerale per sfide

In molti depositi di metalli di base e preziosi, i metalli estratti sono altamente concentrati in una singola fase minerale, come il rame nella calcopirite (CuFeS2) o lo zinco nella sfalerite (ZnS). La separazione di una singola fase minerale dalla roccia è un compito relativamente semplice. Il prodotto finale è un concentrato tipicamente inviato a una fonderia per l'estrazione finale e la raffinazione dei metalli. Lo zinco, ad esempio, deriva quasi interamente dalla sfalerite minerale, in modo tale che l'industria mondiale della fusione e raffinazione dello zinco abbia sviluppato un trattamento altamente specializzato di questo minerale. Pertanto, la produzione di zinco presenta un notevole vantaggio in termini di costi in quanto viene utilizzata una singola tecnologia standard e lo sviluppo di una nuova miniera di zinco è un processo ampiamente convenzionale.

L'attuale pratica di lavorazione dei minerali è in grado di separare sequenzialmente più fasi minerali, ma non è sempre conveniente farlo. Quando elementi di interesse si trovano in due o più fasi minerali, ognuna delle quali richiede una diversa tecnologia di estrazione, la lavorazione dei minerali è relativamente costosa. Molti depositi di elementi di terre rare contengono due o più fasi che portano elementi di terre rare. Pertanto, i depositi di elementi di terre rare in cui gli elementi di terre rare sono ampiamente concentrati in una singola fase minerale presentano un vantaggio competitivo. Ad oggi, la produzione di REE proviene in gran parte da depositi monofase minerali, come Bayan Obo (bastnasite), Mountain Pass (bastnasite) e placer di minerali pesanti (monazite).

Elaborazione minerale complessa

I minerali che contengono elementi di terre rare, una volta separati, contengono fino a 14 singoli elementi di terre rare (lantanidi e ittrio) che devono essere ulteriormente separati e raffinati. La complessità dell'estrazione e della raffinazione di elementi di terre rare è illustrata da un foglio di flusso metallurgico per la miniera di Mountain Pass in California (fig. 2). A differenza dei solfuri metallici, che sono composti chimicamente semplici, i minerali contenenti REE sono piuttosto complessi. I minerali di solfuro di metallo base, come la sfalerite (ZnS), sono tipicamente fusi per bruciare zolfo e separare le impurità dal metallo fuso. Il metallo risultante viene ulteriormente raffinato per purezza quasi per elettrolisi. Gli elementi di terre rare, d'altra parte, sono in genere estratti e raffinati attraverso dozzine di processi chimici per separare i diversi elementi di terre rare e rimuovere le impurità.

La principale impurità deleteria nei minerali contenenti REE è il torio, che impartisce una radioattività indesiderata ai minerali. Poiché i materiali radioattivi sono difficili da estrarre e maneggiare in sicurezza, sono fortemente regolamentati. Quando viene prodotto un prodotto di scarto radioattivo, devono essere utilizzati metodi di smaltimento speciali. Il costo di movimentazione e smaltimento del materiale radioattivo costituisce un grave ostacolo all'estrazione economica dei minerali più radioattivi ricchi di REE, in particolare la monazite, che in genere contiene notevoli quantità di torio. In effetti, l'imposizione di norme più restrittive sull'uso di minerali radioattivi ha spinto molte fonti di monazite fuori dal mercato degli elementi delle terre rare negli anni '80.

La complessa metallurgia degli elementi delle terre rare è aggravata dal fatto che non esistono due minerali REE realmente uguali. Di conseguenza, non esiste un processo standard per estrarre i minerali contenenti REE e raffinarli in composti di terre rare commercializzabili. Per sviluppare una nuova miniera di elementi di terre rare, i minerali devono essere ampiamente testati utilizzando una varietà di metodi di estrazione noti e una sequenza unica di fasi di lavorazione ottimizzate. Rispetto a una nuova miniera di zinco, lo sviluppo del processo per gli elementi delle terre rare costa sostanzialmente più tempo e denaro.


Tabella 2: Classificazione dei depositi minerali contenenti elementi di terre rare

AssociazionegenereEsempio
Rocce ignee peralkalineMagmatico (alcalino-ultrabasico)
Dighe di pegmatite (alcali-ultrabasiche)
Dighe di Pegmatite (peralkaline)
Vene idrotermali e scorte
Vulcanico
Metasomatico-albitite
Lovozero, Russia
Massiccio del Khibina, Russia
Motzfeldt, Groenlandia
Lemhi Pass, Idaho
Brockman, Australia occidentale
Miask, Russia
carbonatitesmagmatica
Dighe e vene dialettali
Vene idrotermali e scorte
skarn
Sostituzione della roccia carbonatica
Metasomatico-fenite
Mountain Pass, California
Kangakunde Hill, Malawi
Gallinas Mtns., New Mexico
Saima, Cina
Bayan Obo, Cina
Magnet Cove, Arkansas
Ossido di ferro rame-oroSostituzione magnetite-apatite
Breccia di ematite-magnetite
Eagle Mountain, California
Olympic Dam, Australia Meridionale
pegmatitiAbissale (pesanti elementi delle terre rare)
Abissale (elementi leggeri di terre rare)
Muscovite (elementi delle terre rare)
Elementi di terre rare-allanite-monazite
Elementi di terre rare-euxenite
Elementi di terre rare-gadolinite
Miarolitic-rare earth elements-topaz-beryl
Elementi di terre rare miarolitiche-gadolinite-fergusonite
Aldan, Russia
Five Mile, Ontario
Spruce Pine, Carolina del Nord
South Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Svezia
Monte Antero, Colorado
Complesso di Wasau, Wisconsin
Molibdeno di porfidoClimax-tipoClimax, Colorado
MetamorficoGneiss Migmatized
Skarn di elementi di terre rare all'uranio
Music Valley, California
Mary Kathleen, Queensland
Residuo di fosfato stratificatoPiattaforma fosforite
Carbonatite-associato
Laterite associata al granito
Bauxite di baddeleyite
Bauxite carsica
Idaho sud-orientale
Mount Weld, Australia occidentale
Cina meridionale
Poços de Caldas, Brasile
Montenegro
PaleoplacerConglomerato di ciottoli di quarzo piritico uranifero
Conglomerato di ciottoli di quarzo piritico aurifero
Lago Elliot, Ontario
Witwatersrand, Sudafrica
giacimento alluvionalePosizionatore minerale pesante Ti-Shoreline
Posizionatore di flusso di stagno
Cooljarloo, Australia occidentale
Malaysia

Guarda il video: Per cosa ci scanneremo in futuro? Per le Terre Rare, per i miracoli della biodiversità o per altro? (Luglio 2020).