מתכות

הגיאולוגיה של אלמנטים אדירים נדירים



הוצא מחדש מ: הפיקדונות העיקריים של אלמנטים אדירים נדירים של ארצות הברית, דוח החקירות המדעיות של USGS 2010-5220מאת קית 'ר לונג, בראדלי ש' ואן גוסן, נורה ק. פולי ודניאל קורדייה.

מפת אלמנטים נדירים של אדמה: מחוזות יסוד נדירים בארצות הברית נמצאים בעיקר במערב. מפה זו מציגה את מיקום מיקומי הייצור הפוטנציאליים - הגדל את המפה כדי לראות את כל המיקומים.

אלמנטים אדירים נדירים אינם "נדירים"

מספר היבטים גיאולוגיים של התרחשותם הטבעית של יסודות אדירים נדירים משפיעים מאוד על אספקת חומרי גלם נדירים מכדור הארץ. גורמים גיאולוגיים אלה מוצגים כהצהרות עובדות ואחריה דיון מפורט.

אמנם יסודות אדמה נדירים נמצאים יחסית בשפע בקרום כדור הארץ, אך לעתים נדירות הם מרוכזים למרבצי עפרות טחונים.

הריכוז הממוצע המשוער של יסודות האדמה הנדירים בקרום כדור הארץ, שנע סביב 150 ל- 220 חלקים למיליון (טבלה 1), עולה על זה של מתכות רבות אחרות שנכרות בקנה מידה תעשייתי, כמו נחושת (55 חלקים לכל מיליון) ואבץ (70 חלקים למיליון). בניגוד לרוב הבסיס והמתכות היקרות המסחריים, אולם, לעתים נדירות, יסודות אדמה נדירים מרוכזים למרבצי עפרות טחונים.

ריכוזי אלמנטים אדירים נדירים

הריכוזים העיקריים של יסודות אדמה נדירים קשורים לסוגים נדירים של סלעים דלקתיים, כלומר סלעים אלקליין וקרבונאטים. ריכוזים מועילים מאוד של מינרלים נושאי REE נמצאים גם במצבים של מקום, משקעים שיורדים שנוצרו בגלל בליה עמוקה של סלעים דלקתיים, פגמטיטים, מרבצי זהב נחושת-תחמוצת ופוספטים ימיים (טבלה 2).


טבלה 1: שפע של אלמנטים אדירים נדירים

אלמנט אדמה נדירWedephol
(1995)
שידוך
(1997)
מקגיל
(1997)
לאנטנום30395 עד 18
Cerium6066.520 עד 46
פראזודימיום6.79.23.5 עד 5.5
ניאודימיום2741.512 עד 24
סמריום5.37.054.5 עד 7
אירופיום1.320.14 עד 1.1
גדוליניום46.24.5 עד 6.4
טרביום0.651.20.7 עד 1
דיספרוסיום3.85.24.5 עד 7.5
הולמיום0.81.30.7 עד 1.2
ארביום2.13.52.5 עד 6.5
תוליום0.30.520.2 ל -1
יתרטרביום23.22.7 עד 8
לוטטיום0.350.80.8 עד 1.7
יתרום243328 עד 70
סקנדיום16225 עד 10
סך הכל184.3242.17

שולחן 1. הערכות לשפע הקרום של יסודות אדמה נדירים. יסודות אדמה נדירים המפורטים לפי סדר הגידול במספר האטומי; yttrium (Y) כלול באלמנטים אלה מכיוון שהוא חולק קווי דמיון כימיים ופיזיים עם הלנטנידים. יחידת מידה, חלקים למיליון.

סלעים ומג'מס אלקליין

סלעים דלקתיים אלקליין נוצרים מקירור מגמות הנגזרים על ידי דרגות קטנות של התכה חלקית של סלעים במעטפת כדור הארץ. היווצרות סלעים אלקאליים היא מורכבת ולא מובנת לחלוטין אך ניתן לחשוב עליה כתהליך גיאולוגי המוציא ומרכז את אותם יסודות שאינם מתאימים למבנה של המינרלים המשותפים ליצירת סלע.

הקסמות הבסיסיות שהתקבלו הן נדירות ומועשרות בצורה יוצאת דופן באלמנטים כמו זירקוניום, ניוביום, סטרונציום, בריום, ליתיום ויסודות האדמה הנדירים. כאשר מגמות אלה עולות לקרום כדור הארץ, הרכבן הכימי עובר שינויים נוספים כתגובה לשינויים בלחץ, בטמפרטורה ובהרכבם של הסלעים הסובבים. התוצאה היא מגוון מדהים של סוגי סלע המועשרים באופן משתנה באלמנטים כלכליים, כולל יסודות האדמה הנדירים. משקעי המינרלים הקשורים לסלעים אלה הם די מגוונים ומביכים לסיווג, מכיוון שהמאפיינים הייחודיים של משקעים אלה ונדירותם יכולים לגרום לסיווגים שיש בהם רק דוגמה אחת או מעטות ידועות.

מפה גיאולוגית של אלמנט אדיר נדיר: מפה גיאולוגית כללית של רוב מחוז אלמנטים נדירים של אדמת מעבר, דרום קליפורניה. רק מיעוט מייצג מבין מאות שולי הקונדיט, הסניט והקרבונטיט מוצגים. לא מוצגים דיקים אנזיטיים ורוליאוליסטיים רחבים, בגיל מזוזואיק או שלישוני. מתוך דו"ח קובץ פתוח של USGS 2005-1219. הגדלת מפה.

סיווג עפרות אדמה נדירות

סיווג עפרות הקשורות לסלעים אלקליין הוא גם שנוי במחלוקת. טבלה 2 מציגה סיווג פשוט יחסית העוקב אחר קטגוריות אנלוגיות עבור משקעים הקשורים לסלעים דלקתיים לא אלקליין. חלק מהסלעים האלקאליים הלא שגרתיים המארחים או קשורים לעפרות REE הם קרבונאט ופוסקוריט, סלעים דלקתיים המורכבים בעיקר ממינרלים קרבונט ופוספט, בהתאמה. Carbonatites, ובמיוחד phoscorites, הם נדירים יחסית, מכיוון שיש רק 527 קרבונאטים ידועים בעולם (Woolley and Kjarsgaard, 2008). ריכוזים כלכליים של מינרלים נושאי REE מתרחשים בכמה סלעים אלקליין, גלידות ופקדונות להחלפת פחמתי הקשורים לחדירות אלקליות, ורידים ודיקים החותכים מתחמי אגן אלקליין וסלעים מסביב, ובקרקעות ומוצרי בליה אחרים של סלעים אלקליין.

טבלה תקופתית של REE: אלמנטים אדירים נדירים הם 15 האלמנטים של סדרת הלנטניד, בתוספת יטריום. הסקנדיום נמצא ברוב משקעי יסודות האדמה הנדירים ולעיתים הוא מסווג כאלמנט אדיר נדיר. תמונה מאת.

הפקדות נדירות על כדור הארץ

בליה של כל סוגי הסלעים מניבה משקעים המופקים במגוון רחב של סביבות, כמו נחלים ונהרות, קווי חוף, מאווררי סחף ודלתות. תהליך השחיקה מרכז את המינרלים הצפופים יותר, בעיקר הבהובים בזהב, למרבצים הידועים כמצבים. בהתאם למקור תוצרי השחיקה, ניתן לרכז מינרלים מסוימים הנושאים יסודות אדמה נדירים, כגון מונאזיט וקסנוטימה, יחד עם מינרלים כבדים אחרים.

המקור לא צריך להיות סלע עורק אלקליין או משקע קרקע נדיר הקשורים אליו. הרבה סלעי משקע שכיחים, מטמורפיים ואפילו מבוגרים יותר מכילים מספיק מונאזיט בכדי לייצר מקום הנושא מונאזיט. כתוצאה מכך, מונאזיט נמצא כמעט תמיד בכל פיקדון של השטח. עם זאת, סוגי המנשאים עם הריכוזים הגדולים ביותר של מונאזיט הם בדרך כלל משקעים מינרליים כבדים מסוג ilmenite, שנכרותו עבור פיגמנטים של תחמוצת טיטניום, וכובעי קסיטרייט, שנכרותו לפח.

פיקדון אדמה נדיר בגבעת הברזל: נוף פונה לכיוון צפון מערבה של עיר הבר, מחוז Gunnison, קולורדו. גבעת הברזל נוצרת על ידי מלאי מסיבי של קרבונאט המהווה את מרכז קומפלקס פולשני אלקליין. מתחם זה מארח משאבים מינרליים רבים, כולל טיטניום, ניוביום, יסודות אדמה נדירים ותוריום. תמונה של USGS.

פיקדונות כדור הארץ הנדירים

בסביבות טרופיות, סלעים מעוכלים בצורה עמוקה ויוצרים פרופיל אדמה ייחודי המורכב מלטריטיט, אדמה עשירה בברזל ואלומיניום בעובי של עשרות מטרים. תהליכי היווצרות הקרקע מרכזים בדרך כלל מינרלים כבדים כפיקדונות שיוריים, והתוצאה היא שכבת מתכת מועשרת מעל הסלע הבסיסי והלא נוצר.

כאשר פיקדון בכדור הארץ נדיר עובר בליה כזו, יתכן שהוא מועשר באלמנטים אדירים נדירים בריכוזים של אינטרס כלכלי. סוג מסוים של מרבץ REE, סוג קליטת היונים, נוצר על ידי שטיפת יסודות אדמה נדירים מסלעים דלקתיים שכיחים ככל הנראה והתקנת היסודות על חימר באדמה. משקעים אלה ידועים רק בדרום סין ובקזחסטן וההתפתחות שלהם אינה מובנת.

אלמנטים אדירים נדירים בפגמטים

בקרב pegmatites, קבוצה של סלעים חודרניים גסיים פולשניים מאוד, משפחת ניוביום-יטריום-פלואור, כוללת מספר רב של תת-סוגים הנוצרים בסביבות גאולוגיות שונות. תת-סוגים אלה הם גרניטיים בהרכבם ונמצאים בדרך כלל פריצות עד פריצות גרניטיות גדולות. באופן כללי, עם זאת, פגמיטיטים הנושאים אלמנטים אדירים נדירים הם בדרך כלל קטנים והם בעלי עניין כלכלי רק לאספנים מינרלים.

סוגים אחרים של פיקדונות אדמה נדירים

סוג הפיקדון של נחושת-תחמוצת-נחושת מזהב הוכר כסוג פיקדון מובהק רק מאז התגלה המפקד הענק של הסכר האולימפי בדרום אוסטרליה בשנות השמונים. הפיקדון בסכר האולימפי חריג בכך שהוא מכיל כמויות גדולות של יסודות אדמה נדירים ואורניום. טרם נמצאה שיטה כלכלית לשחזור יסודות אדירים נדירים מהפקדות אלה. מרבצים רבים אחרים מסוג זה זוהו ברחבי העולם, אך בדרך כלל חסר מידע על תכני יסודות האדמה הנדירים שלהם. כמויות עקבות של יסודות אדמה נדירים זוהו גם במצבים החלפת מגנטיט-אפטיט.

בוקסיטים של קרסט, קרקעות עשירות אלומיניום המצטברות באבני גיר מערות (טופוגרפיה של קרסט ביסוד) במונטנגרו ובמקומות אחרים, מועשרות באלמנטים אדירים נדירים, אך הריכוזים הנובעים מהם אינם בעלי עניין כלכלי (Maksimovic ו- Pantó, 1996). כך ניתן לומר גם לגבי מרבצי פוספט ימיים, שיכולים להכיל עד 0.1 אחוז תחמוצות REE (Altschuler ואחרים, 1966). כתוצאה מכך, נחקר התאוששות של יסודות אדירים נדירים כתוצר לוואי מייצור דשני פוספט.

עפרות של יסודות אדירים נדירים הם מורכבים מינרלוגית וכימית ופעמים רבות רדיואקטיביים.

עיבוד מינרלי לאתגרים

במרבצים רבים של מתכות יקרות ומתכת יקרים, המתכות המופקות מרוכזות מאוד בשלב מינרלי יחיד, כמו נחושת בכלקופיריט (CuFeS2) או אבץ בסללטריט (ZnS). הפרדת שלב מינרלי יחיד מסלע היא משימה קלה יחסית. התוצר הסופי הוא תרכיז שנשלח בדרך כלל למפעל לצורך מיצוי וסיפוק מתכות סופיות. אבץ, למשל, נגזר כמעט כולו מהסלרלית המינרלית, כך שתעשיית התכה והזיקוק האבץ העולמית פיתחה טיפול מיוחד במינרל זה. לפיכך, לייצור אבץ יש יתרון בעלויות בולט בכך שמשתמשים בטכנולוגיה סטנדרטית אחת, ופיתוח מכרה אבץ חדש הוא תהליך קונבנציונאלי ברובו.

תרגול עיבוד מינרלים נוכחי מסוגל להפריד ברצף של שלבי מינרלים מרובים אך לא תמיד משתלם לעשות זאת. כאשר אלמנטים מעניינים נמצאים בשני שלבים או יותר מינרלים, שכל אחד מהם זקוק לטכנולוגיית מיצוי שונה, עיבוד המינרלים הוא יקר יחסית. מרבצי יסודות אדמה נדירים רבים מכילים שני שלבים או יותר נדירים הנושאים יסודות אדמה אדירים. לפיכך, למרבצי יסודות אדירים נדירים שבהם יסודות האדמה הנדירים מרוכזים ברובם בשלב מינרלי יחיד יש יתרון תחרותי. נכון להיום, ייצור REE הגיע ברובו ממקבצים חד-מינרליים, כגון Bayan Obo (בסטנסייט), מעבר הרים (bastnasite) ומצבים מינרלים כבדים (monazite).

עיבוד מינרלי מורכב

מינרלים הנושאים אלמנטים אדירים נדירים, לאחר שהופרדו, מכילים עד 14 יסודות אדמה נדירים בודדים (לנטנידים ויטריום) אותם יש להפריד ולשכלל עוד יותר. המורכבות של חילוץ ושכלול של אלמנטים אדירים נדירים ממחישה על ידי גיליון זרימה מתכות למכרה ההר פאס בקליפורניה (תמונה 2) בניגוד לסולפידים מתכתיים, שהם תרכובות פשוטות מבחינה כימית, מינרלים נושאי REE הם מורכבים למדי. עפרות מתכת סולפיד בסיסיות, כגון ספאלרייט (ZnS), בדרך כלל נמסות כדי לשרוף גופרית ולהפריד זיהומים מהמתכת המותכת. המתכת הנוצרת מעודנת עוד יותר קרוב לטוהר באמצעות אלקטרוליזה. לעומת זאת, יסודות אדמה נדירים מופקים ומעודדים באמצעות עשרות תהליכים כימיים בכדי להפריד בין יסודות האדמה הנדירים השונים ולהסרת זיהומים.

הטומאה הרסנית העיקרית במינרלים הנושאים ב- REE היא תוריום, המעניק רדיואקטיביות לא רצויה לעפרות. מכיוון שקשה לכרות חומרים רדיואקטיביים ולטפל בהם בבטחה, הם מווסתים בכבדות. כאשר מיוצר מוצר פסולת רדיואקטיבית, יש להשתמש בשיטות סילוק מיוחדות. עלות הטיפול והפינוי של חומר רדיואקטיבי מהווה מכשול רציני למיצוי הכלכלי של המינרלים העשירים יותר ב- REE, ובמיוחד מונאזיט, המכיל בדרך כלל כמויות ניכרות של תוריום. למעשה, הטלת תקנות הדוקה יותר על שימוש במינרלים רדיואקטיביים הוציאה מקורות מונאזיט רבים משוק היסודות האדירים הנדירים במהלך שנות השמונים.

המטלורגיה המורכבת של יסודות אדירים נדירים מורכבת מהעובדה שאף שני עפרות REE אינן דומות באמת. כתוצאה מכך, אין שום תהליך סטנדרטי לחילוץ המינרלים הנושאים ב- REE ולזיקתם לתרכובות אדירות נדירות הניתנות לסחירות. כדי לפתח מכרה של אלמנטים אדירים נדירים חדשים, יש לבדוק את העפרות בהרחבה באמצעות מגוון שיטות מיצוי ידועות ורצף ייחודי של שלבי עיבוד אופטימליים. בהשוואה למכרה אבץ חדש, פיתוח תהליכים עבור אלמנטים אדירים נדירים עולה משמעותית יותר זמן וכסף.


טבלה 2: סיווג פיקדונות מינרלים נושאי יסודות נדירים באדמה

אגודהסוגדוגמא
סלעים פרקאלייםמגמטי (אלקלי-אולטראבסי)
צפירות פגמטיטיות (אלקליות-אולטראבסיות)
צפירות פגמטיטיות (peralkaline)
ורידים הידרותרמיים ועבודות מלאי
וולקני
מטסומטי-אלביטיט
לובוזרו, רוסיה
קיבינה מאסיף, רוסיה
מוצפלדט, גרינלנד
למי פאס, איידהו
ברוקמן, מערב אוסטרליה
מיאסק, רוסיה
קרבונטיטיםמגמטי
חוליות ורידים דיאלוגיים
ורידים הידרותרמיים ועבודות מלאי
סקארן
החלפת סלע קרבונט
מטסומטי-פניט
Mountain Mountain, קליפורניה
גבעת קנגקונדה, מלאווי
גלינס Mtns., ניו מקסיקו
סיימה, סין
ביאן אובו, סין
Magnet Cove, ארקנסו
תחושת ברזל נחושת-זהבהחלפת מגנט-אפטיט
ברכיה המטיט-מגנטיט
הר איגל, קליפורניה
סכר אולימפי, דרום אוסטרליה
פגמטיטיםאביססל (יסודות אדירים נדירים וכבדים)
אביססל (יסודות אדירים נדירים)
מוסקובייט (יסודות אדירים נדירים)
אלמנטים אדירים נדירים - allanite-monazite
אלמנטים אדירים נדירים- euxenite
אלמנטים אדירים נדירים - גדוליניט
אלמנטים אדירים מיארוליטיים-נדירים-טופז-בריל
אלמנטים אדירים מיארוליטיים-נדירים-גדוליניט-פרגוסוניט
אלדן, רוסיה
Five Mile, אונטריו
ספרד אורן, צפון קרוליינה
דרום פלאטה, קולורדו
טופשאם, מיין
יטרבי, שוודיה
הר אנטרו, קולורדו
מתחם ווסאו, ויסקונסין
מוליבדן פורפירסוג השיאהשיא, קולורדו
מטמורפיג'ניס ממגמטי
יסודות אדמת אורניום נדירים
עמק המוסיקה, קליפורניה
מרי קתלין, קווינסלנד
שארית פוספט סטרטיפוריזרחן פלטפורמה
הקשורה לפחמן
גרניט משויך לגרניט
בוקסיט בדדליייט
קרסט בוקסיט
דרום מזרח איידהו
הר וולד, מערב אוסטרליה
דרום סין
פוסוס דה קלדאס, ברזיל
מונטנגרו
פליאפלסרקונגלומרט חלוקי נחל קוורץ אורניים
קונגלומרט חלוקי נחל קוורץ אורייפרוס
אליוט לייק, אונטריו
Witwatersrand, דרום אפריקה
מצביעקו החוף מינרלים כבד Ti
נחל פח
קוליארלו, מערב אוסטרליה
מלזיה