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La geología de los elementos de tierras raras



Republicado desde: Los principales depósitos de elementos de tierras raras de los Estados Unidos, Informe de investigaciones científicas del USGS 2010-5220Por Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley y Daniel Cordier.

Mapa de elementos de tierras raras: Los distritos de elementos de tierras raras en los Estados Unidos se encuentran principalmente en el oeste. Este mapa muestra la ubicación de posibles ubicaciones de producción: amplíe el mapa para ver todas las ubicaciones.

Los elementos de tierras raras no son "raros"

Varios aspectos geológicos de la ocurrencia natural de elementos de tierras raras influyen fuertemente en el suministro de materias primas de elementos de tierras raras. Estos factores geológicos se presentan como declaraciones de hechos seguidos de una discusión detallada.

Aunque los elementos de tierras raras son relativamente abundantes en la corteza terrestre, rara vez se concentran en depósitos de minerales extraíbles.

La concentración promedio estimada de los elementos de tierras raras en la corteza terrestre, que oscila entre 150 y 220 partes por millón (tabla 1), excede la de muchos otros metales que se extraen a escala industrial, como el cobre (55 partes por millones) y zinc (70 partes por millón). Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los metales básicos y preciosos extraídos comercialmente, los elementos de tierras raras rara vez se concentran en depósitos de minerales extraíbles.

Concentraciones de elementos de tierras raras

Las principales concentraciones de elementos de tierras raras están asociadas con variedades poco comunes de rocas ígneas, a saber, rocas alcalinas y carbonatitas. Concentraciones potencialmente útiles de minerales que contienen REE también se encuentran en depósitos de placer, depósitos residuales formados por la erosión profunda de rocas ígneas, pegmatitas, depósitos de cobre-oro-óxido de hierro y fosfatos marinos (Tabla 2).


Tabla 1: Abundancias de elementos de tierras raras

Elemento de tierras rarasWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lantano30395 a 18
Cerio6066.520 a 46
Praseodimio6.79.23.5 a 5.5
Neodimio2741.512 a 24
Samario5.37.054.5 a 7
Europio1.320.14 a 1.1
Gadolinio46.24.5 a 6.4
Terbio0.651.20.7 a 1
Disprosio3.85.24.5 a 7.5
Holmio0.81.30.7 a 1.2
Erbio2.13.52.5 a 6.5
Tulio0.30.520.2 a 1
Iterbio23.22.7 a 8
Lutecio0.350.80.8 a 1.7
Itrio243328 a 70
Escandio16225 a 10
Total184.3242.17

Tabla 1. Estimaciones de la abundancia de la corteza de elementos de tierras raras. Elementos de tierras raras enumerados en orden de número atómico creciente; El itrio (Y) se incluye con estos elementos porque comparte similitudes químicas y físicas con los lantánidos. Unidad de medida, partes por millón.

Rocas ígneas alcalinas y magmas

Las rocas ígneas alcalinas se forman por el enfriamiento de los magmas derivados de pequeños grados de fusión parcial de las rocas en el manto de la Tierra. La formación de rocas alcalinas es compleja y no se entiende completamente, pero puede considerarse como un proceso geológico que extrae y concentra aquellos elementos que no encajan en la estructura de los minerales comunes que forman rocas.

Los magmas alcalinos resultantes son raros e inusualmente enriquecidos en elementos como circonio, niobio, estroncio, bario, litio y los elementos de tierras raras. Cuando estos magmas ascienden a la corteza terrestre, su composición química sufre más cambios en respuesta a las variaciones de presión, temperatura y composición de las rocas circundantes. El resultado es una asombrosa diversidad de tipos de rocas que se enriquecen de forma variable en elementos económicos, incluidos los elementos de tierras raras. Los depósitos minerales asociados con estas rocas también son bastante diversos y difíciles de clasificar, ya que las características distintivas de estos depósitos y su rareza pueden dar lugar a clasificaciones que tienen solo uno o unos pocos ejemplos conocidos.

Mapa geológico de elementos de tierras raras: Mapa geológico generalizado de la mayor parte del distrito de elementos de tierras raras de Mountain Pass, en el sur de California. Solo se muestra una minoría representativa de los cientos de diques de shonkinita, sienita y carbonatita. No se muestran diques andesíticos y riolíticos generalizados, de edad mesozoica o terciaria. Del informe de archivos abiertos de USGS 2005-1219. Ampliar mapa

Clasificación de minerales de tierras raras

La clasificación de minerales relacionados con rocas alcalinas también es controvertida. La Tabla 2 presenta una clasificación relativamente simple que sigue categorías análogas para depósitos relacionados con rocas ígneas no alcalinas. Algunas de las rocas alcalinas más inusuales que albergan o están relacionadas con los minerales REE son carbonatita y foscorita, rocas ígneas compuestas principalmente de minerales de carbonato y fosfato, respectivamente. Las carbonatitas, y especialmente las foscoritas, son relativamente poco frecuentes, ya que solo hay 527 carbonatitas conocidas en el mundo (Woolley y Kjarsgaard, 2008). Las concentraciones económicas de minerales que contienen REE ocurren en algunas rocas alcalinas, skarns y depósitos de reemplazo de carbonato asociados con intrusiones alcalinas, vetas y diques que cortan complejos ígneos alcalinos y rocas circundantes, y suelos y otros productos de erosión de rocas alcalinas.

Tabla periódica REE: Los elementos de tierras raras son los 15 elementos de la serie de lantánidos, más itrio. El escandio se encuentra en la mayoría de los depósitos de elementos de tierras raras y a veces se clasifica como un elemento de tierras raras. Imagen por.

Depósitos de tierras raras

La erosión de todo tipo de rocas produce sedimentos que se depositan en una amplia variedad de entornos, como arroyos y ríos, costas, abanicos aluviales y deltas. El proceso de erosión concentra minerales más densos, especialmente oro, en depósitos conocidos como placers. Dependiendo de la fuente de los productos de erosión, ciertos minerales que contienen elementos de tierras raras, como la monazita y la xenotima, pueden concentrarse junto con otros minerales pesados.

La fuente no necesita ser una roca ígnea alcalina o un depósito de tierras raras relacionado. Muchas rocas sedimentarias ígneas, metamórficas e incluso más antiguas contienen suficiente monazita para producir un placer con monazita. Como resultado, la monazita casi siempre se encuentra en cualquier depósito de placer. Sin embargo, los tipos de placers con las mayores concentraciones de monazita son típicamente placeres de minerales pesados ​​con ilmenita, que se han extraído para obtener pigmentos de óxido de titanio, y colocadores de casiterita, que se extraen para estaño.

Depósito de tierras raras de Iron Hill: Vista hacia el noroeste de Iron Hill, Condado de Gunnison, Colorado. Iron Hill está formado por un stock masivo de carbonatita que forma el centro de un complejo intrusivo alcalino. Este complejo alberga muchos recursos minerales, incluidos titanio, niobio, elementos de tierras raras y torio. Imagen de USGS.

Depósitos residuales de tierras raras

En ambientes tropicales, las rocas se degradan profundamente para formar un perfil de suelo único que consiste en laterita, un suelo rico en hierro y aluminio, de hasta decenas de metros de espesor. Los procesos de formación del suelo comúnmente concentran minerales pesados ​​como depósitos residuales, lo que resulta en una capa de metal enriquecido sobre el lecho de roca subyacente y no degradado.

Cuando un depósito de tierras raras sufre dicha erosión, puede enriquecerse en elementos de tierras raras en concentraciones de interés económico. Un tipo particular de depósito REE, el tipo de absorción de iones, se forma mediante la lixiviación de elementos de tierras raras de rocas ígneas aparentemente comunes y la fijación de los elementos en arcillas en el suelo. Estos depósitos solo se conocen en el sur de China y Kazajstán y su formación es poco conocida.

Elementos de tierras raras en pegmatitas

Entre las pegmatitas, un grupo de rocas ígneas intrusivas de grano muy grueso, la familia de niobio-itrio-flúor, comprende una gran cantidad de subtipos formados en diferentes entornos geológicos. Estos subtipos son de composición granítica y generalmente se encuentran en intrusiones graníticas periféricas a grandes. En general, sin embargo, las pegmatitas que contienen elementos de tierras raras son generalmente pequeñas y son de interés económico solo para los recolectores de minerales.

Otros tipos de depósitos de tierras raras

El tipo de depósito de óxido de hierro cobre-oro ha sido reconocido como un tipo de depósito distinto solo desde el descubrimiento del depósito de la presa olímpica gigante en el sur de Australia en la década de 1980. El depósito de la presa olímpica es inusual porque contiene grandes cantidades de elementos de tierras raras y uranio. Todavía no se ha encontrado un método económico para recuperar elementos de tierras raras de estos depósitos. Se han identificado muchos otros depósitos de este tipo en todo el mundo, pero generalmente falta información sobre el contenido de sus elementos de tierras raras. También se han identificado trazas de elementos de tierras raras en depósitos de reemplazo de magnetita-apatita.

Las bauxitas kársticas, suelos ricos en aluminio que se acumulan en la piedra caliza cavernosa (topografía kárstica subyacente) en Montenegro y en otros lugares, se enriquecen con elementos de tierras raras, pero las concentraciones resultantes no son de interés económico (Maksimovic y Pantó, 1996). Lo mismo puede decirse de los depósitos de fosfato marino, que pueden contener hasta un 0.1 por ciento de óxidos REE (Altschuler y otros, 1966). Como resultado, se ha investigado la recuperación de elementos de tierras raras como un subproducto de la fabricación de fertilizantes fosfatados.

Los minerales de los elementos de tierras raras son mineralógicamente y químicamente complejos y comúnmente radiactivos.

Procesamiento de minerales para desafíos

En muchos depósitos de metales básicos y preciosos, los metales extraídos están altamente concentrados en una sola fase mineral, como el cobre en calcopirita (CuFeS2) o el zinc en esfalerita (ZnS). La separación de una sola fase mineral de la roca es una tarea relativamente fácil. El producto final es un concentrado que generalmente se envía a una fundición para la extracción final y el refinado de los metales. El zinc, por ejemplo, se deriva casi por completo de la esfalerita mineral, de modo que la industria mundial de fundición y refinación de zinc ha desarrollado un tratamiento altamente especializado de este mineral. Por lo tanto, la producción de zinc tiene una ventaja de costo pronunciada, ya que se utiliza una tecnología estándar única, y el desarrollo de una nueva mina de zinc es un proceso en gran medida convencional.

La práctica actual de procesamiento de minerales es capaz de la separación secuencial de múltiples fases minerales, pero no siempre es rentable hacerlo. Cuando se encuentran elementos de interés en dos o más fases minerales, cada una de las cuales requiere una tecnología de extracción diferente, el procesamiento de minerales es relativamente costoso. Muchos depósitos de elementos de tierras raras contienen dos o más fases portadoras de elementos de tierras raras. Por lo tanto, los depósitos de elementos de tierras raras en los que los elementos de tierras raras se concentran en gran medida en una sola fase mineral tienen una ventaja competitiva. Hasta la fecha, la producción de REE proviene en gran medida de depósitos de una sola fase mineral, como Bayan Obo (bastnasita), Mountain Pass (bastnasita) y colocadores de minerales pesados ​​(monazita).

Procesamiento complejo de minerales

Los minerales que contienen elementos de tierras raras, una vez separados, contienen hasta 14 elementos individuales de tierras raras (lantánidos e itrio) que deben separarse y refinarse aún más. La complejidad de extraer y refinar elementos de tierras raras se ilustra mediante un diagrama de flujo metalúrgico para la mina Mountain Pass en California (fig. 2). A diferencia de los sulfuros metálicos, que son compuestos químicamente simples, los minerales que contienen REE son bastante complejos. Los minerales de sulfuro de metal base, como la esfalerita (ZnS), generalmente se funden para quemar azufre y separar las impurezas del metal fundido. El metal resultante se refina aún más hasta casi la pureza por electrólisis. Los elementos de tierras raras, por otro lado, generalmente se extraen y refinan a través de docenas de procesos químicos para separar los diferentes elementos de tierras raras y eliminar las impurezas.

La principal impureza nociva en los minerales que contienen REE es el torio, que imparte una radiactividad no deseada a los minerales. Debido a que los materiales radiactivos son difíciles de extraer y manejar de manera segura, están muy regulados. Cuando se produce un producto de desechos radiactivos, se deben utilizar métodos especiales de eliminación. El costo de manejo y disposición de material radiactivo es un impedimento serio para la extracción económica de los minerales más radioactivos ricos en REE, en particular la monazita, que típicamente contiene cantidades considerables de torio. De hecho, la imposición de regulaciones más estrictas sobre el uso de minerales radiactivos expulsó a muchas fuentes de monazita del mercado de elementos de tierras raras durante la década de 1980.

La compleja metalurgia de los elementos de tierras raras se agrava por el hecho de que no hay dos minerales REE realmente iguales. Como resultado, no existe un proceso estándar para extraer los minerales que contienen REE y refinarlos en compuestos comercializables de tierras raras. Para desarrollar una nueva mina de elementos de tierras raras, los minerales deben ser probados exhaustivamente mediante el uso de una variedad de métodos de extracción conocidos y una secuencia única de pasos de procesamiento optimizados. En comparación con una nueva mina de zinc, el desarrollo de procesos para elementos de tierras raras cuesta mucho más tiempo y dinero.


Tabla 2: Clasificación de depósitos minerales que contienen elementos de tierras raras

AsociaciónTipoEjemplo
Rocas ígneas peralkalinasMagmático (álcali-ultrabásico)
Diques de pegmatita (álcali-ultrabásico)
Diques de pegmatita (peralkaline)
Venas hidrotermales y stockworks
Volcánico
Metasomatic-albitite
Lovozero, Rusia
Macizo Khibina, Rusia
Motzfeldt, Groenlandia
Paso de Lemhi, Idaho
Brockman, Australia Occidental
Miask, Rusia
CarbonatitasMagmático
Diques y venas dialacionales
Venas hidrotermales y stockworks
Skarn
Reemplazo de roca carbonatada
Metasomatic-fenite
Paso de montaña, California
Kangakunde Hill, Malawi
Gallinas Mtns., Nuevo México
Saima, China
Bayan Obo, China
Ensenada del imán, Arkansas
Óxido de hierro cobre-oroReemplazo de magnetita-apatita
Brecha de hematita-magnetita
Eagle Mountain, California
Presa Olímpica, Australia del Sur
PegmatitasAbisal (elementos pesados ​​de tierras raras)
Abisal (elementos ligeros de tierras raras)
Moscovita (elementos de tierras raras)
Elementos de tierras raras-allanita-monazita
Elementos de tierras raras-euxenita
Elementos de tierras raras: gadolinita
Miarolítico-elementos de tierras raras-topacio-berilo
Miarolítico-elementos de tierras raras-gadolinita-fergusonita
Aldan, Rusia
Five Mile, Ontario
Pino Abeto, Carolina del Norte
South Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Suecia
Monte Antero, Colorado
Complejo Wasau, Wisconsin
Pórfido de molibdenoTipo ClimaxClimax, Colorado
MetamórficoGneis migmatizados
Skarn de elementos de tierras raras de uranio
Music Valley, California
Mary Kathleen, Queensland
Fosfato estratiforme residualPlataforma fosforita
Asociada a carbonatita
Laterita asociada a granito
Baddeleyita bauxita
Bauxita Karst
Sureste de Idaho
Mount Weld, Australia Occidental
sur de China
Poços de Caldas, Brasil
Montenegro
PaleoplacerConglomerado de guijarros de cuarzo pirítico uraífero
Conglomerado de guijarros de cuarzo pirítico aurífero
Elliot Lake, Ontario
Witwatersrand, Sudáfrica
PlacerShoreline placer mineral pesado Ti
Estaño corriente placer
Cooljarloo, Australia Occidental
Malasia