Kovy

Geologie prvků vzácných zemin



Znovu publikováno od: Hlavní vklady prvků vzácných zemin Spojených států, Zpráva USGS Scientific Researchigations 2010-5220Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley a Daniel Cordier.

Mapa prvků vzácných zemin: Okresy vzácných zemin ve Spojených státech se nacházejí hlavně na západě. Tato mapa ukazuje umístění potenciálních výrobních míst - zvětšením mapy zobrazíte všechna místa.

Prvky vzácné Země nejsou „vzácné“

Několik geologických aspektů přirozeného výskytu prvků vzácných zemin silně ovlivňuje zásobování surovinami prvků vzácných zemin. Tyto geologické faktory jsou prezentovány jako výkazy skutečností, po nichž následuje podrobná diskuse.

Ačkoli prvky vzácných zemin jsou v zemské kůře relativně hojné, jsou zřídka koncentrovány do těžitelných rudných ložisek.

Odhadovaná průměrná koncentrace prvků vzácných zemin v zemské kůře, která se pohybuje od přibližně 150 do 220 dílů na milion (tabulka 1), překračuje koncentraci mnoha jiných kovů, které se těží v průmyslovém měřítku, jako je měď (55 dílů na milionu) a zinku (70 dílů na milion). Na rozdíl od většiny komerčně těžených základních a drahých kovů se však prvky vzácných zemin zřídka koncentrují do těžitelných rudných ložisek.

Koncentrace prvků vzácných zemin

Hlavní koncentrace prvků vzácných zemin jsou spojeny s neobvyklými odrůdami vyvřelých hornin, zejména alkalických hornin a karbonatitů. Potenciálně užitečné koncentrace minerálů obsahujících REE se vyskytují také v ložiscích placerů, zbytkových ložiskách vytvořených hlubokým zvětráváním vyvřelých hornin, pegmatitů, ložisek oxidu mědi a zlata z oxidu železa a mořských fosfátů (tabulka 2).


Tabulka 1: Množství prvků vzácných zemin

Prvek vzácné ZeměWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lanthanum30395 až 18
Cerium6066.520 až 46
Praseodym6.79.23,5 až 5,5
Neodym2741.512 až 24
Samarium5.37.054,5 až 7
Europium1.320,14 až 1,1
Gadolinium46.24,5 až 6,4
Terbium0.651.20,7 až 1
Dysprosium3.85.24,5 až 7,5
Holmium0.81.30,7 až 1,2
Erbium2.13.52,5 až 6,5
Thulium0.30.520,2 až 1
Ytterbium23.22,7 až 8
Lutetium0.350.80,8 až 1,7
Yttrium243328 až 70
Scandium16225 až 10
Celkový184.3242.17

Stůl 1. Odhady krustálního hojnosti prvků vzácných zemin. Prvky vzácných zemin jsou seřazeny podle rostoucího atomového čísla; yttrium (Y) je součástí těchto prvků, protože sdílí chemické a fyzikální podobnosti s lanthanidy. Měrná jednotka, díly na milion.

Alkalické Igneous Rocks a Magmas

Alkalické vyvřelé horniny se tvoří z chlazení magmat odvozených z malých stupňů částečného tání hornin v zemském plášti. Tvorba alkalických hornin je složitá a není zcela pochopena, lze ji však považovat za geologický proces, který extrahuje a koncentruje ty prvky, které se nevejdou do struktury běžných horninotvorných minerálů.

Výsledné alkalické magmy jsou vzácné a neobvykle obohacené o prvky, jako je zirkonium, niob, stroncium, barium, lithium a prvky vzácných zemin. Když tyto magmy vystoupají do zemské kůry, jejich chemické složení podléhá dalším změnám v reakci na změny tlaku, teploty a složení okolních hornin. Výsledkem je ohromující rozmanitost typů hornin, které jsou variabilně obohaceny o ekonomické prvky, včetně prvků vzácných zemin. Ložiska nerostů spojená s těmito horninami jsou rovněž velmi různorodá a nepříjemná, takže rozlišovací vlastnosti těchto ložisek a jejich vzácnost mohou vyústit v klasifikace, které mají pouze jeden nebo několik známých příkladů.

Geologická mapa prvku vzácných zemin: Generalizovaná geologická mapa většiny okresu prvků vzácných zemin Mountain Pass, jižní Kalifornie. Zobrazena je pouze reprezentativní menšina ze stovek shonkinitových, syenitových a karbonatitových hrází. Rozsáhlé andezitické a rhyolitické hráze mezozoického nebo terciárního věku nejsou zobrazeny. Ze zprávy Open-File USGS 2005-1219. Zvětšit mapu.

Klasifikace vzácných zemin

Klasifikace rud souvisejících s alkalickými horninami je také kontroverzní. Tabulka 2 představuje relativně jednoduchou klasifikaci, která následuje analogické kategorie pro ložiska související s nalkalickými vyvřelými horninami. Některé z neobvyklejších alkalických hornin, které jsou hostiteli nebo jsou s ním spojeny, jsou rudy REE karbonatitové a foscoritové, vyvřelé horniny složené převážně z uhličitanových a fosfátových minerálů. Karbonatity, a zejména foscority, jsou relativně neobvyklé, protože ve světě je známo pouze 527 karbonatitů (Woolley a Kjarsgaard, 2008). Ekonomické koncentrace minerálů obsahujících REE se vyskytují v některých alkalických horninách, skarnech a ložiskách nahrazujících uhličitany, které jsou spojeny s alkalickými vměstky, žilami a hrázemi, které řežou alkalické vyvřelé komplexy a okolní horniny, v půdách a jiných povětrnostních produktech alkalických hornin.

Periodická tabulka REE: Prvky vzácné Země jsou patnáct prvků lanthanidu plus ytrium. Skandium se nachází ve většině ložisek prvků vzácných zemin a je někdy klasifikováno jako prvek vzácných zemin. Obrázek od.

Vklady vzácných zemin

Zvětrování všech typů hornin vede k usazeninám, které jsou uloženy v celé řadě prostředí, jako jsou potoky a řeky, břehy břehů, aluviální fanoušci a delty. Proces eroze koncentruje hustější minerály, zejména zlato, do ložisek známých jako placer. V závislosti na zdroji produktů eroze mohou být některé minerály obsahující vzácné zeminy, jako je monazit a xenotim, koncentrovány společně s dalšími těžkými minerály.

Zdrojem nemusí být alkalická vyvřelá hornina nebo související ložisko vzácných zemin. Mnoho běžných vyvřelých, metamorfovaných a dokonce starších sedimentárních hornin obsahuje dostatek monazitu, aby vytvořilo hoblík nesoucí monazit. Výsledkem je, že monazit je téměř vždy nalezen v každém vkladu placerů. Typy placerů s nejvyššími koncentracemi monazitu jsou však typicky ilmenitové minerální platery, které byly těženy pro pigmenty na bázi oxidu titanu, a kaseritové placery, které jsou těženy pro cín.

Vklad vzácných zemin Iron Hill: Severozápadní pohled na Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Železný kopec je tvořen masivní karbonatitovou surovinou, která tvoří střed alkalického rušivého komplexu. Tento komplex hostí mnoho nerostných zdrojů, včetně titanu, niobu, prvků vzácných zemin a thoria. Obrázek USGS.

Zbytky vzácných zemin

V tropickém prostředí jsou skály hluboce zvětralé a vytvářejí jedinečný půdní profil skládající se z lateritu, půdy bohaté na železo a hliník, až desítky metrů silné. Procesy tvorby půdy obyčejně koncentrují těžké minerály jako zbytková ložiska, což vede k vrstvě obohaceného kovu nad podložím nepůvodního podloží.

Když se ložisko vzácných zemin podrobí takovému zvětrávání, může být obohaceno o prvky vzácných zemin v koncentracích hospodářského zájmu. Specifický typ REE depozitu, typ iontové absorpce, je tvořen vyluhováním prvků vzácných zemin ze zdánlivě běžných vyvřelých hornin a fixováním prvků na jíly v půdě. Tato ložiska jsou známa pouze v jižní Číně a Kazachstánu a jejich formování je špatně pochopeno.

Vzácné prvky Země v Pegmatitech

Mezi pegmatity patří skupina velmi hrubých zrnitých rušivých vyvřelých hornin, rodina niob-yttrium-fluor, do skupiny velkého počtu podtypů vytvořených v různých geologických prostředích. Tyto podtypy mají složení granitické a obvykle se vyskytují periferní až velké granitické intruze. Obecně jsou však pegmatity, které nesou prvky vzácných zemin, obecně malé a jsou ekonomicky zajímavé pouze pro sběratele minerálů.

Jiné typy vkladů vzácných zemin

Typ ložiska železo-oxid měď-zlato byl uznáván jako zřetelný typ ložiska teprve od objevu obrovského ložiska olympijské přehrady v jižní Austrálii v 80. letech. Úložiště olympijské přehrady je neobvyklé v tom, že obsahuje velké množství prvků vzácných zemin a uranu. Ekonomická metoda pro získání prvků vzácných zemin z těchto ložisek nebyla dosud nalezena. Po celém světě bylo identifikováno mnoho dalších ložisek tohoto typu, ale informace o obsahu prvků vzácných zemin obecně chybí. V náhradních ložiscích magnetit-apatit bylo také zjištěno stopové množství prvků vzácných zemin.

Krasové bauxity, půdy bohaté na hliník, které se hromadí v kavernózním vápence (základní krasová topografie) v Černé Hoře a jinde, jsou obohaceny prvky vzácných zemin, ale výsledné koncentrace nejsou ekonomicky zajímavé (Maksimovic a Pantó, 1996). Totéž lze říci o depozicích mořských fosfátů, které mohou obsahovat až 0,1 procenta oxidů REE (Altschuler a další, 1966). V důsledku toho bylo zkoumáno využití prvků vzácných zemin jako vedlejšího produktu výroby fosforečných hnojiv.

Rudy prvků vzácných zemin jsou mineralogicky a chemicky složité a obvykle radioaktivní.

Zpracování nerostů pro výzvy

V mnoha ložiscích na bázi bází a drahých kovů jsou extrahované kovy vysoce koncentrovány v jediné minerální fázi, jako je měď v chalkopyritu (CuFeS2) nebo zinek v sfaleritu (ZnS). Oddělení jediné minerální fáze od horniny je relativně snadný úkol. Konečný produkt je koncentrát obvykle odeslaný do tavírny pro konečnou extrakci a rafinaci kovů. Například zinek pochází téměř výhradně z minerálního sfaleritu, takže v globálním průmyslu tavení a rafinace zinku se vyvinula vysoce specializovaná úprava tohoto minerálu. Výroba zinku má tedy výraznou nákladovou výhodu v tom, že se používá jediná standardní technologie a vývoj nového zinkového dolu je do značné míry konvenčním procesem.

Současná praxe zpracování minerálů je schopna postupného oddělení více minerálních fází, ale není vždy nákladově efektivní. Pokud jsou prvky zájmu nalezeny ve dvou nebo více minerálních fázích, z nichž každá vyžaduje jinou technologii extrakce, zpracování minerálů je relativně nákladné. Mnoho ložisek prvků vzácných zemin obsahuje dvě nebo více fází nesoucích prvky vzácných zemin. Proto ložiska prvků vzácných zemin, ve kterých jsou prvky vzácných zemin z velké části soustředěny v jediné minerální fázi, mají konkurenční výhodu. K dnešnímu dni produkce REE do velké míry pochází z ložisek s jednou minerální fází, jako je Bayan Obo (bastnasite), Mountain Pass (bastnasite) a těžkotonážní placeráty (monazite).

Složité zpracování nerostů

Minerály obsahující vzácné zeminy, jakmile jsou separovány, obsahují až 14 jednotlivých prvků vzácných zemin (lanthanidy a yttrium), které musí být dále separovány a rafinovány. Složitost těžby a rafinace prvků vzácných zemin je ilustrována metalurgickým vývojovým diagramem pro důl Mountain Pass v Kalifornii (obr. 2). Na rozdíl od sulfidů kovů, které jsou chemicky jednoduchými sloučeninami, jsou minerály obsahující REE poměrně složité. Sulfidové rudy základních kovů, jako je sfalerit (ZnS), se obvykle taví, aby spálily síru a oddělily nečistoty od roztaveného kovu. Výsledný kov je dále rafinován elektrolýzou téměř na čistotu. Na druhé straně jsou prvky vzácných zemin obvykle extrahovány a rafinovány desítkami chemických procesů, aby se oddělily různé prvky vzácných zemin a odstranily se nečistoty.

Hlavní škodlivou nečistotou v minerálech obsahujících REE je thium, které dodává rudám nežádoucí radioaktivitu. Protože radioaktivní materiály lze těžit a bezpečně je těžko manipulovat, jsou přísně regulovány. Při produkci radioaktivního odpadu musí být použity speciální metody likvidace. Náklady na manipulaci a likvidaci radioaktivního materiálu jsou vážnou překážkou ekonomické těžby minerálů bohatších na REE, zejména monazitu, který obvykle obsahuje značné množství thoria. Ve skutečnosti zavedení přísnějších předpisů o používání radioaktivních minerálů vytlačilo během 80. let mnoho zdrojů monazitu z trhu prvků vzácných zemin.

Komplexní metalurgie prvků vzácných zemin je umocněna skutečností, že žádné dvě rudy REE nejsou skutečně podobné. Výsledkem je, že neexistuje žádný standardní postup pro extrakci nerostů obsahujících REE a jejich rafinaci na obchodovatelné sloučeniny vzácných zemin. Aby bylo možné vyvinout nový důl s prvky vzácných zemin, musí být rudy důkladně testovány pomocí různých známých metod extrakce a jedinečné sekvence optimalizovaných kroků zpracování. Ve srovnání s novým zinkovým dolem stojí procesní vývoj pro prvky vzácných zemin podstatně více času a peněz.


Tabulka 2: Klasifikace nerostných ložisek vzácných zemin

SdruženíTypPříklad
Peralkalinové vyvřelé horninyMagmatický (alkalicko-ultrabasický)
Pegmatitové hráze (alkalicko-ultrabasické)
Pegmatitové hráze (peralkalin)
Hydrotermální žíly a zásoby
Sopečný
Metasomatický albitit
Lovozero, Rusko
Khibina Massif, Rusko
Motzfeldt, Grónsko
Lemhi Pass, Idaho
Brockman, západní Austrálie
Miask, Rusko
KarbonatityMagmatický
Hráze a dialační žíly
Hydrotermální žíly a zásoby
Skarn
Náhrada karbonátových hornin
Metasomatický fenit
Mountain Pass, Kalifornie
Kangakunde Hill, Malawi
Gallinas Mtns., Nové Mexiko
Saima, Čína
Bayan Obo, Čína
Magnet Cove, Arkansas
Oxid železnatý měď-zlatoNáhrada magnetit-apatit
Hematit-magnetitová breccia
Eagle Mountain, Kalifornie
Olympic Dam, Jižní Austrálie
PegmatityAbyssal (těžké prvky vzácných zemin)
Abyssal (lehké prvky vzácných zemin)
Muskovit (prvky vzácných zemin)
Prvky vzácných zemin - allanit-monazit
Prvky vzácných zemin - euxenit
Prvky vzácných zemin - gadolinit
Miarolitické prvky vzácných zemin-topaz-beryl
Miarolitické prvky vzácných zemin-gadolinit-fergusonit
Aldan, Rusko
Five Mile, Ontario
Spruce Pine, Severní Karolína
South Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Švédsko
Mount Antero, Colorado
Komplex Wasau, Wisconsin
Porfyrový molybdenClimax-typClimax, Colorado
MetamorfickýMigmatizovaná rula
Pruhy prvků vzácných zemin uranu
Music Valley, Kalifornie
Mary Kathleen, Queensland
Zbytky fosforečnanu StratiformFosforitan na platformě
Spojeno s karbonatitem
Žula spojená s lateritem
Baddeleyitský bauxit
Krasový bauxit
Jihovýchodní Idaho
Mount Weld, západní Austrálie
Jižní Čína
Poços de Caldas, Brazílie
Černá Hora
PaleoplacerUraniferous pyritic quartz oblázkový konglomerát
Auriferní pyritický křemenný oblázek
Elliot Lake, Ontario
Witwatersrand, Jižní Afrika
PlacerShoreline Ti-těžká minerální štěrk
Rýžovač cínového proudu
Cooljarloo, západní Austrálie
Malajsie