Les métaux

La géologie des éléments des terres rares



Republié de: Les principaux dépôts d'éléments de terres rares des États-Unis, USGS Scientific Investigations Report 2010-5220Par Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley et Daniel Cordier.

Carte des éléments des terres rares: Les districts des terres rares aux États-Unis sont principalement situés à l'ouest. Cette carte montre l'emplacement des sites de production potentiels - agrandir la carte pour voir tous les sites.

Les éléments de terres rares ne sont pas «rares»

Plusieurs aspects géologiques de l'occurrence naturelle des éléments des terres rares influencent fortement l'approvisionnement en matières premières des éléments des terres rares. Ces facteurs géologiques sont présentés comme des énoncés de faits suivis d'une discussion détaillée.

Bien que les éléments des terres rares soient relativement abondants dans la croûte terrestre, ils sont rarement concentrés dans des gisements exploitables.

La concentration moyenne estimée des éléments des terres rares dans la croûte terrestre, qui varie d'environ 150 à 220 parties par million (tableau 1), dépasse celle de nombreux autres métaux exploités à l'échelle industrielle, comme le cuivre (55 parties par millions) et de zinc (70 parties par million). Contrairement à la plupart des métaux de base et précieux exploités à des fins commerciales, les éléments des terres rares sont rarement concentrés dans des gisements exploitables.

Concentrations d'éléments de terres rares

Les principales concentrations d'éléments de terres rares sont associées à des variétés rares de roches ignées, à savoir les roches alcalines et les carbonatites. Des concentrations potentiellement utiles de minéraux contenant des terres rares se trouvent également dans les dépôts de placers, les dépôts résiduels formés par l'altération profonde des roches ignées, les pegmatites, les dépôts d'oxyde de fer cuivre-or et les phosphates marins (tableau 2).


Tableau 1: Abondance d'éléments de terres rares

Élément de terres raresWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lanthane30395 à 18
Cérium6066.520 à 46
Praséodyme6.79.23,5 à 5,5
Néodyme2741.512 à 24
Samarium5.37.054,5 à 7
Europium1.320,14 à 1,1
Gadolinium46.24,5 à 6,4
Terbium0.651.20,7 à 1
Dysprosium3.85.24,5 à 7,5
Holmium0.81.30,7 à 1,2
Erbium2.13.52,5 à 6,5
Thulium0.30.520,2 à 1
Ytterbium23.22,7 à 8
Lutétium0.350.80,8 à 1,7
Yttrium243328 à 70
Scandium16225 à 10
Total184.3242.17

Tableau 1. Estimations des abondances crustales des éléments des terres rares. Éléments des terres rares classés par ordre croissant de nombre atomique; l'yttrium (Y) est inclus avec ces éléments car il partage des similitudes chimiques et physiques avec les lanthanides. Unité de mesure, parties par million.

Roches ignées alcalines et magmas

Les roches ignées alcalines se forment à partir du refroidissement des magmas dérivés de petits degrés de fusion partielle des roches dans le manteau terrestre. La formation de roches alcalines est complexe et n'est pas entièrement comprise, mais peut être considérée comme un processus géologique qui extrait et concentre les éléments qui ne rentrent pas dans la structure des minéraux rocheux communs.

Les magmas alcalins qui en résultent sont rares et exceptionnellement enrichis en éléments tels que le zirconium, le niobium, le strontium, le baryum, le lithium et les éléments des terres rares. Lorsque ces magmas montent dans la croûte terrestre, leur composition chimique subit de nouveaux changements en réponse aux variations de pression, de température et de composition des roches environnantes. Le résultat est une étonnante diversité de types de roches qui sont enrichies de manière variable en éléments économiques, y compris les éléments de terres rares. Les dépôts minéraux associés à ces roches sont également assez divers et difficiles à classer, en ce que les caractéristiques distinctives de ces dépôts et leur rareté peuvent conduire à des classifications qui n'ont qu'un ou quelques exemples connus.

Carte géologique des éléments des terres rares: Carte géologique généralisée de la plupart du district des terres rares de Mountain Pass, dans le sud de la Californie. Seule une minorité représentative des centaines de digues de shonkinite, syénite et carbonatite sont représentées. Les digues andésitiques et rhyolitiques largement répandues, d'âge mésozoïque ou tertiaire, ne sont pas représentées. D'après USGS Open-File Report 2005-1219. Agrandir la carte.

Classification des minerais de terres rares

La classification des minerais liés aux roches alcalines est également controversée. Le tableau 2 présente une classification relativement simple qui suit des catégories analogues pour les dépôts liés aux roches ignées non alcalines. Certaines des roches alcalines les plus inhabituelles qui abritent ou sont apparentées aux minerais REE sont la carbonatite et la phoscorite, roches ignées composées principalement de carbonate et de phosphate, respectivement. Les carbonatites, et en particulier les phoscorites, sont relativement rares, car il n'y a que 527 carbonatites connues dans le monde (Woolley et Kjarsgaard, 2008). Des concentrations économiques de minéraux contenant des terres rares se trouvent dans certaines roches alcalines, skarns et dépôts de remplacement de carbonate associés à des intrusions alcalines, des veines et des digues coupant les complexes ignés alcalins et les roches environnantes, et les sols et autres produits d'altération des roches alcalines.

Tableau périodique REE: Les éléments de terres rares sont les 15 éléments de la série des lanthanides, plus l'yttrium. Le scandium se trouve dans la plupart des gisements d'éléments de terres rares et est parfois classé comme élément de terres rares. Image de.

Dépôts de placers de terres rares

L'altération de tous les types de roches produit des sédiments qui se déposent dans une grande variété d'environnements, tels que les ruisseaux et les rivières, les rivages, les cônes alluviaux et les deltas. Le processus d'érosion concentre les minéraux plus denses, notamment l'or, dans des gisements appelés placers. Selon la source des produits d'érosion, certains minéraux contenant des éléments des terres rares, tels que la monazite et le xénotime, peuvent être concentrés avec d'autres minéraux lourds.

Il n'est pas nécessaire que la source soit une roche ignée alcaline ou un gisement de terres rares apparenté. De nombreuses roches sédimentaires ignées, métamorphiques et même plus anciennes contiennent suffisamment de monazite pour produire un placer porteur de monazite. Par conséquent, la monazite se trouve presque toujours dans n'importe quel dépôt de placers. Cependant, les types de placers contenant les plus fortes concentrations de monazite sont généralement des placers minéraux riches en ilménite, qui ont été extraits pour les pigments d'oxyde de titane, et les placers pour cassitérite, qui sont extraits pour l'étain.

Gisement de terres rares d'Iron Hill: Vue vers le nord-ouest d'Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Iron Hill est formée d'un massif de carbonatite qui forme le centre d'un complexe alcalin intrusif. Ce complexe abrite de nombreuses ressources minérales, dont le titane, le niobium, les éléments des terres rares et le thorium. Image USGS.

Dépôts résiduels de terres rares

Dans les environnements tropicaux, les roches sont profondément altérées pour former un profil de sol unique composé de latérite, un sol riche en fer et en aluminium, pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres d'épaisseur. Les processus de formation du sol concentrent généralement les minéraux lourds sous forme de dépôts résiduels, ce qui entraîne une couche de métal enrichi sur le substrat rocheux sous-jacent et non altéré.

Lorsqu'un gisement de terres rares subit une telle altération, il peut être enrichi en éléments de terres rares à des concentrations d'intérêt économique. Un type particulier de dépôt d'ETR, le type à absorption ionique, est formé par la lixiviation d'éléments de terres rares à partir de roches ignées apparemment communes et la fixation des éléments sur des argiles dans le sol. Ces gisements ne sont connus que dans le sud de la Chine et au Kazakhstan et leur formation est mal connue.

Éléments de terres rares dans les pegmatites

Parmi les pegmatites, un groupe de roches ignées intrusives à grains très grossiers, la famille du niobium-yttrium-fluor, comprend un grand nombre de sous-types formés dans différents environnements géologiques. Ces sous-types sont de composition granitique et se trouvent généralement périphériques à de grandes intrusions granitiques. En général, cependant, les pegmatites contenant des éléments de terres rares sont généralement petites et ne présentent un intérêt économique que pour les collectionneurs de minéraux.

Autres types de gisements de terres rares

Le type de gisement d'oxyde de fer-cuivre-or n'est reconnu comme type de gisement distinct que depuis la découverte du gisement géant Olympic Dam en Australie du Sud dans les années 80. Le gisement d'Olympic Dam est inhabituel en ce qu'il contient de grandes quantités d'éléments de terres rares et d'uranium. Une méthode économique pour récupérer les éléments des terres rares de ces gisements n'a pas encore été trouvée. De nombreux autres gisements de ce type ont été identifiés dans le monde, mais les informations sur leur teneur en éléments de terres rares font généralement défaut. Des traces d'éléments de terres rares ont également été identifiées dans des gisements de remplacement de magnétite-apatite.

Les bauxites karstiques, sols riches en aluminium qui s'accumulent dans le calcaire caverneux (topographie karstique sous-jacente) au Monténégro et ailleurs, sont enrichis en éléments de terres rares, mais les concentrations qui en résultent ne présentent pas d'intérêt économique (Maksimovic et Pantó, 1996). La même chose peut être dite pour les gisements de phosphate marin, qui peuvent contenir jusqu'à 0,1% d'oxydes de REE (Altschuler et al., 1966). En conséquence, la récupération d'éléments de terres rares en tant que sous-produit de la fabrication d'engrais phosphatés a été étudiée.

Les minerais des éléments des terres rares sont minéralogiquement et chimiquement complexes et généralement radioactifs.

Traitement des minéraux pour les défis

Dans de nombreux gisements de métaux communs et de métaux précieux, les métaux extraits sont fortement concentrés dans une seule phase minérale, comme le cuivre dans la chalcopyrite (CuFeS2) ou le zinc dans la sphalérite (ZnS). La séparation d'une seule phase minérale de la roche est une tâche relativement facile. Le produit final est un concentré généralement envoyé à une fonderie pour l'extraction finale et le raffinage des métaux. Le zinc, par exemple, est presque entièrement dérivé de la sphalérite minérale, de sorte que l'industrie mondiale de la fonte et du raffinage du zinc a développé un traitement hautement spécialisé de ce minéral. Ainsi, la production de zinc présente un net avantage en termes de coûts dans la mesure où une seule technologie standard est utilisée et le développement d'une nouvelle mine de zinc est un processus largement conventionnel.

La pratique actuelle de traitement des minéraux est capable de séparer séquentiellement plusieurs phases minérales, mais il n'est pas toujours rentable de le faire. Lorsque les éléments d'intérêt se trouvent dans deux ou plusieurs phases minérales, chacune nécessitant une technologie d'extraction différente, le traitement des minéraux est relativement coûteux. De nombreux gisements d'éléments de terres rares contiennent au moins deux phases porteuses d'éléments de terres rares. Par conséquent, les gisements d'éléments de terres rares dans lesquels les éléments de terres rares sont largement concentrés dans une seule phase minérale ont un avantage concurrentiel. À ce jour, la production de terres rares provient principalement de gisements à phase minérale unique, comme Bayan Obo (bastnasite), Mountain Pass (bastnasite) et des placers de minéraux lourds (monazite).

Traitement des minéraux complexes

Les minéraux contenant des éléments de terres rares, une fois séparés, contiennent jusqu'à 14 éléments de terres rares individuels (lanthanides et yttrium) qui doivent être davantage séparés et affinés. La complexité de l'extraction et du raffinage des éléments des terres rares est illustrée par un schéma de flux métallurgique pour la mine Mountain Pass en Californie (fig. 2). Contrairement aux sulfures métalliques, qui sont des composés chimiquement simples, les minéraux contenant des terres rares sont assez complexes. Les minerais sulfurés de métaux communs, tels que la sphalérite (ZnS), sont généralement fondus pour brûler le soufre et séparer les impuretés du métal fondu. Le métal résultant est ensuite affiné jusqu'à une pureté proche par électrolyse. Les éléments de terres rares, d'autre part, sont généralement extraits et raffinés par des dizaines de processus chimiques pour séparer les différents éléments de terres rares et éliminer les impuretés.

La principale impureté délétère des minéraux contenant des terres rares est le thorium, qui confère aux minerais une radioactivité indésirable. Parce que les matières radioactives sont difficiles à extraire et à manipuler en toute sécurité, elles sont fortement réglementées. Lorsqu'un déchet radioactif est produit, des méthodes d'élimination spéciales doivent être utilisées. Le coût de la manipulation et de l'élimination des matières radioactives est un obstacle sérieux à l'extraction économique des minéraux les plus radioactifs riches en REE, en particulier la monazite, qui contient généralement des quantités considérables de thorium. En fait, l'imposition de réglementations plus strictes sur l'utilisation des minéraux radioactifs a chassé de nombreuses sources de monazite du marché des éléments des terres rares au cours des années 80.

La métallurgie complexe des éléments des terres rares est aggravée par le fait qu'il n'y a pas deux minerais REE vraiment semblables. En conséquence, il n'y a pas de processus standard pour extraire les minéraux contenant des terres rares et les raffiner en composés commercialisables de terres rares. Pour développer une nouvelle mine d'éléments de terres rares, les minerais doivent être testés de manière approfondie en utilisant une variété de méthodes d'extraction connues et une séquence unique d'étapes de traitement optimisées. Comparé à une nouvelle mine de zinc, le développement de processus pour les éléments des terres rares coûte beaucoup plus de temps et d'argent.


Tableau 2: Classification des dépôts minéraux porteurs d'éléments terrestres

AssociationTypeExemple
Roches ignées peralcalinesMagmatique (alcalin-ultrabasique)
Digues de pegmatite (alcaline-ultrabasique)
Digues de pegmatite (peralcalines)
Veines hydrothermales et stockworks
Volcanique
Albitite métasomatique
Lovozero, Russie
Massif de Khibina, Russie
Motzfeldt, Groenland
Lemhi Pass, Idaho
Brockman, Australie-Occidentale
Miask, Russie
CarbonatitesMagmatic
Digues et veines dialationnelles
Veines hydrothermales et stockworks
Skarn
Remplacement des roches carbonatées
Fénite métasomatique
Mountain Pass, Californie
Kangakunde Hill, Malawi
Gallinas Mtns., Nouveau-Mexique
Saima, Chine
Bayan Obo, Chine
Magnet Cove, Arkansas
Oxyde de fer cuivre-orRemplacement de magnétite-apatite
Brèche d'hématite-magnétite
Eagle Mountain, Californie
Barrage olympique, Australie du Sud
PegmatitesAbyssal (éléments lourds de terres rares)
Abyssal (éléments de terres rares légères)
Moscovite (éléments de terres rares)
Éléments de terres rares-allanite-monazite
Éléments de terres rares-euxenite
Éléments de terres rares-gadolinite
Éléments de terres rares-miarolitiques-topaze-béryl
Miarolitique-éléments de terres rares-gadolinite-fergusonite
Aldan, Russie
Five Mile, Ontario
Pin épicéa, Caroline du Nord
South Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Suède
Mont Antero, Colorado
Complexe de Wasau, Wisconsin
Porphyre molybdèneType ClimaxClimax, Colorado
MétamorphiqueGneiss migmatisé
Skarn d'éléments d'uranium et de terres rares
Music Valley, Californie
Mary Kathleen, Queensland
Phosphate stratiforme résiduelPhosphorite plateforme
Associé à la carbonatite
Latérite associée au granite
Bauxite de baddeleyite
Bauxite karstique
Idaho du sud-est
Mount Weld, Australie occidentale
Chine du sud
Poços de Caldas, Brésil
Monténégro
PaléoplaceurConglomérat de galets de quartz pyriteux uranifère
Conglomérat de galets de quartz pyriteux aurifères
Elliot Lake, Ontario
Witwatersrand, Afrique du Sud
PlacerPlacement minéral lourd Ti-rivage
Placer de ruisseau d'étain
Cooljarloo, Australie-Occidentale
Malaisie