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A geologia dos elementos de terras raras



Republicado de: Os principais depósitos de elementos de terras raras dos Estados Unidos, Relatório de investigações científicas do USGS 2010-5220Por Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley e Daniel Cordier.

Mapa de elementos de terras raras: Os distritos de elementos de terras raras nos Estados Unidos estão localizados principalmente no oeste. Este mapa mostra a localização dos locais de produção em potencial - amplie o mapa para ver todos os locais.

Elementos de terras raras não são "raros"

Vários aspectos geológicos da ocorrência natural de elementos de terras raras influenciam fortemente o suprimento de matérias-primas de elementos de terras raras. Esses fatores geológicos são apresentados como declarações de fatos, seguidas de uma discussão detalhada.

Embora os elementos de terras raras sejam relativamente abundantes na crosta terrestre, eles raramente são concentrados em depósitos de minério.

A concentração média estimada dos elementos de terras raras na crosta terrestre, que varia de cerca de 150 a 220 partes por milhão (tabela 1), excede a de muitos outros metais extraídos em escala industrial, como o cobre (55 partes por milhões) e zinco (70 partes por milhão). Ao contrário da maioria das bases mineradas comercialmente e dos metais preciosos, no entanto, os elementos de terras raras raramente são concentrados em depósitos de minério.

Concentrações de elementos de terras raras

As principais concentrações de elementos de terras raras estão associadas a variedades incomuns de rochas ígneas, nomeadamente rochas alcalinas e carbonatitos. Concentrações potencialmente úteis de minerais contendo REE também são encontradas em depósitos de placer, depósitos residuais formados pelo desgaste profundo de rochas ígneas, pegmatitos, depósitos de óxido de ferro cobre-ouro e fosfatos marinhos (Tabela 2).


Tabela 1: Abundâncias de elementos de terras raras

Elemento Terra RaraWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lantânio30395 a 18
Cério6066.520 a 46
Praseodímio6.79.23.5 a 5.5
Neodímio2741.512 a 24
Samário5.37.054.5 a 7
Europium1.320,14 a 1,1
Gadolínio46.24.5 a 6.4
Térbio0.651.20,7 a 1
Disprósio3.85.24.5 a 7.5
Holmium0.81.30,7 a 1,2
Erbium2.13.52,5 a 6,5
Túlio0.30.520,2 a 1
Itérbio23.22,7 a 8
Lutécio0.350.80,8 a 1,7
Ítrio243328 a 70
Escândio16225 a 10
Total184.3242.17

Tabela 1. Estimativas da abundância crusta de elementos de terras raras. Elementos de terras raras listados em ordem crescente de número atômico; O ítrio (Y) é incluído nesses elementos porque compartilha semelhanças químicas e físicas com os lantanídeos. Unidade de medida, partes por milhão.

Rochas Ígneas Alcalinas e Magmas

Rochas ígneas alcalinas se formam a partir do resfriamento de magmas derivados de pequenos graus de derretimento parcial de rochas no manto da Terra. A formação de rochas alcalinas é complexa e não totalmente compreendida, mas pode ser pensada como um processo geológico que extrai e concentra os elementos que não se encaixam na estrutura dos minerais formadores de rochas comuns.

Os magmas alcalinos resultantes são raros e extraordinariamente enriquecidos em elementos como zircônio, nióbio, estrôncio, bário, lítio e os elementos de terras raras. Quando esses magmas ascendem à crosta terrestre, sua composição química sofre outras mudanças em resposta a variações de pressão, temperatura e composição das rochas circundantes. O resultado é uma diversidade surpreendente de tipos de rochas que são variavelmente enriquecidas em elementos econômicos, incluindo os elementos de terras raras. Os depósitos minerais associados a essas rochas são igualmente bastante diversos e difíceis de classificar, pois as características distintivas desses depósitos e sua raridade podem resultar em classificações que possuem apenas um ou alguns exemplos conhecidos.

Mapa geológico do elemento de terras raras: Mapa geológico generalizado da maior parte do distrito de elementos de terras raras de Mountain Pass, sul da Califórnia. Apenas uma minoria representativa das centenas de diques de shonkinita, sienita e carbonatita é mostrada. Não são mostrados diques andesíticos e riolíticos comuns, da idade mesozóica ou terciária. Do Relatório de Arquivo Aberto do USGS 2005-1219. Ampliar mapa.

Classificação de Minério de Terra Rara

A classificação de minérios relacionados a rochas alcalinas também é controversa. A Tabela 2 apresenta uma classificação relativamente simples que segue categorias análogas para depósitos relacionados a rochas ígneas não alcalinas. Algumas das rochas alcalinas mais incomuns que hospedam ou estão relacionadas a minérios de REE são carbonatita e foscorita, rochas ígneas compostas principalmente por minerais de carbonato e fosfato, respectivamente. Carbonatitos, e especialmente foscoritos, são relativamente incomuns, pois existem apenas 527 carbonatitos conhecidos no mundo (Woolley e Kjarsgaard, 2008). Concentrações econômicas de minerais contendo REE ocorrem em algumas rochas alcalinas, skarns e depósitos de substituição de carbonatos associados a intrusões alcalinas, veias e diques que cortam complexos alcalinos ígneos e rochas circundantes, e solos e outros produtos de intemperismo de rochas alcalinas.

Tabela periódica de REE: Os elementos terras raras são os 15 elementos da série lantanídeos, além de ítrio. O escândio é encontrado na maioria dos depósitos de elementos de terras raras e às vezes é classificado como um elemento de terras raras. Imagem por.

Depósitos de Placer de terras raras

O intemperismo de todos os tipos de rochas produz sedimentos que são depositados em uma ampla variedade de ambientes, como córregos e rios, linhas costeiras, ventiladores aluviais e deltas. O processo de erosão concentra minerais mais densos, principalmente ouro, em depósitos conhecidos como placers. Dependendo da fonte dos produtos de erosão, certos minerais contendo elementos de terras raras, como monazita e xenotima, podem ser concentrados juntamente com outros minerais pesados.

A fonte não precisa ser uma rocha ígnea alcalina ou um depósito relacionado de terras raras. Muitas rochas sedimentares ígneas, metamórficas e até mais antigas contêm monazita suficiente para produzir um placer contendo monazita. Como resultado, a monazita é quase sempre encontrada em qualquer depósito de placer. No entanto, os tipos de placers com as maiores concentrações de monazita são tipicamente placers minerais pesados ​​de ilmenita, que foram extraídos para pigmentos de óxido de titânio e cassiterite, que são extraídos de estanho.

Depósito de terras raras em Iron Hill: Vista noroeste de Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Iron Hill é formado por um estoque maciço de carbonatita que forma o centro de um complexo intrusivo alcalino. Este complexo hospeda muitos recursos minerais, incluindo titânio, nióbio, elementos de terras raras e tório. Imagem USGS.

Depósitos Residuais de Terras Raras

Em ambientes tropicais, as rochas são profundamente intemperizadas para formar um perfil único do solo, composto por laterita, um solo rico em ferro e alumínio, com dezenas de metros de espessura. Os processos de formação do solo geralmente concentram minerais pesados ​​como depósitos residuais, resultando em uma camada de metal enriquecido sobre a rocha subjacente não intocada.

Quando um depósito de terras raras sofre esse desgaste, ele pode ser enriquecido em elementos de terras raras em concentrações de interesse econômico. Um tipo particular de depósito de REE, o tipo de absorção de íons, é formado pela lixiviação de elementos de terras raras de rochas ígneas aparentemente comuns e pela fixação dos elementos em argilas no solo. Esses depósitos são conhecidos apenas no sul da China e no Cazaquistão e sua formação é pouco conhecida.

Elementos de terras raras em pegmatitos

Entre os pegmatitos, um grupo de rochas ígneas intrusivas de grão muito grosseiro, a família nióbio-ítrio-flúor, compreende um grande número de subtipos formados em diferentes ambientes geológicos. Esses subtipos são de composição granítica e geralmente são encontrados periféricos a grandes intrusões graníticas. Em geral, no entanto, os pegmatitos contendo elementos de terras raras são geralmente pequenos e têm interesse econômico apenas para coletores de minerais.

Outros tipos de depósitos em terras raras

O tipo de depósito de óxido de ferro cobre-ouro foi reconhecido como um tipo de depósito distinto somente desde a descoberta do gigantesco depósito da Barragem Olímpica no sul da Austrália na década de 1980. O depósito da Barragem Olímpica é incomum, pois contém grandes quantidades de elementos de terras raras e urânio. Um método econômico para recuperar elementos de terras raras desses depósitos ainda não foi encontrado. Muitos outros depósitos desse tipo foram identificados em todo o mundo, mas geralmente faltam informações sobre o conteúdo de elementos de terras raras. Quantidades vestigiais de elementos de terras raras também foram identificadas em depósitos de substituição de magnetita-apatita.

As bauxitas cársticas, solos ricos em alumínio que se acumulam no calcário cavernoso (topografia cárstica subjacente) no Montenegro e em outros lugares, são enriquecidas com elementos de terras raras, mas as concentrações resultantes não são de interesse econômico (Maksimovic e Pantó, 1996). O mesmo pode ser dito para os depósitos de fosfato marinho, que podem conter até 0,1% de óxidos de REE (Altschuler e outros, 1966). Como resultado, a recuperação de elementos de terras raras como subproduto da fabricação de fertilizantes fosfatados foi investigada.

Os minérios de elementos de terras raras são mineralogicamente e quimicamente complexos e comumente radioativos.

Processamento Mineral para Desafios

Em muitos depósitos de metais básicos e preciosos, os metais extraídos são altamente concentrados em uma única fase mineral, como cobre em calcopirita (CuFeS2) ou zinco em esfalerita (ZnS). A separação de uma única fase mineral da rocha é uma tarefa relativamente fácil. O produto final é um concentrado normalmente enviado a uma fundição para extração e refino finais dos metais. O zinco, por exemplo, é quase inteiramente derivado da esfalerita mineral, de modo que a indústria global de fundição e refino de zinco desenvolveu um tratamento altamente especializado desse mineral. Assim, a produção de zinco tem uma vantagem de custo acentuada na medida em que uma única tecnologia padrão é usada, e o desenvolvimento de uma nova mina de zinco é um processo amplamente convencional.

A prática atual de processamento de minerais é capaz de separar sequencialmente várias fases minerais, mas nem sempre é rentável fazê-lo. Quando elementos de interesse são encontrados em duas ou mais fases minerais, cada uma exigindo uma tecnologia de extração diferente, o processamento mineral é relativamente caro. Muitos depósitos de elementos de terras raras contêm duas ou mais fases contendo elementos de terras raras. Portanto, depósitos de elementos de terras raras nos quais os elementos de terras raras estão amplamente concentrados em uma única fase mineral têm uma vantagem competitiva. Até a presente data, a produção de REE vem em grande parte de depósitos em fase mono-mineral, como Bayan Obo (bastnasita), Mountain Pass (bastnasita) e placers de minerais pesados ​​(monazita).

Processamento mineral complexo

Os minerais que contêm elementos de terras raras, uma vez separados, contêm até 14 elementos de terras raras individuais (lantanídeos e ítrio) que devem ser separados e refinados. A complexidade de extrair e refinar elementos de terras raras é ilustrada por um fluxograma metalúrgico para a mina de Mountain Pass na Califórnia (fig. 2). Ao contrário dos sulfetos metálicos, que são compostos quimicamente simples, os minerais contendo REE são bastante complexos. Minérios de sulfeto de metais comuns, como esfalerita (ZnS), são normalmente fundidos para queimar enxofre e separar as impurezas do metal fundido. O metal resultante é ainda mais refinado até quase pureza por eletrólise. Os elementos de terras raras, por outro lado, são tipicamente extraídos e refinados através de dezenas de processos químicos para separar os diferentes elementos de terras raras e remover impurezas.

A principal impureza deletéria nos minerais contendo REE é o tório, que transmite uma radioatividade indesejada aos minérios. Como os materiais radioativos são difíceis de extrair e manusear com segurança, eles são fortemente regulados. Quando um produto radioativo é produzido, métodos especiais de descarte devem ser usados. O custo de manuseio e descarte de material radioativo é um sério impedimento para a extração econômica dos minerais mais radioativos ricos em REE, em particular a monazita, que normalmente contém quantidades consideráveis ​​de tório. De fato, a imposição de regulamentações mais rígidas sobre o uso de minerais radioativos expulsou muitas fontes de monazita do mercado de elementos de terras raras durante os anos 80.

A metalurgia complexa de elementos de terras raras é agravada pelo fato de que não existem dois minérios REE realmente iguais. Como resultado, não existe um processo padrão para extrair os minerais contendo REE e refiná-los em compostos de terras raras comercializáveis. Para desenvolver uma nova mina de elementos de terras raras, os minérios devem ser extensivamente testados usando uma variedade de métodos de extração conhecidos e uma sequência exclusiva de etapas de processamento otimizadas. Comparado com uma nova mina de zinco, o desenvolvimento de processos para elementos de terras raras custa substancialmente mais tempo e dinheiro.


Tabela 2: Classificação de depósitos minerais contendo elementos de terras raras

AssociaçãoTipoExemplo
Rochas ígneas peralcalinasMagmático (alcalino-ultrabásico)
Diques de pegmatita (alcalino-ultrabásica)
Diques pegmatitos (peralcalinos)
Veias hidrotérmicas e estoque
Vulcânico
Albitita metassomática
Lovozero, Rússia
Maciço de Khibina, Rússia
Motzfeldt, Groenlândia
Lemhi Pass, Idaho
Brockman, Austrália Ocidental
Miask, Rússia
CarbonatitosMagmatic
Diques e veias dialacionais
Veias hidrotérmicas e estoque
Skarn
Substituição de rochas carbonáticas
Fenito metassomático
Passagem de montanha, Califórnia
Kangakunde Hill, Malawi
Gallinas Mtns., Novo México
Saima, China
Bayan Obo, China
Magnet Cove, Arkansas
Óxido de ferro cobre-ouroSubstituição de magnetita-apatita
Brecha hematita-magnetita
Eagle Mountain, Califórnia
Olympic Dam, Austrália Meridional
PegmatitosAbissal (elementos pesados ​​de terras raras)
Abissal (elementos leves de terras raras)
Moscovita (elementos de terras raras)
Elementos de terras raras-allanita-monazita
Elementos de terras raras-euxenita
Elementos de terras raras-gadolinita
Elementos de terras raras miarolíticas-topázio-berilo
Elementos de terras raras miarolíticas-gadolinita-fergusonita
Aldan, Rússia
Five Mile, Ontário
Spruce Pine, Carolina do Norte
South Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Suécia
Mount Antero, Colorado
Complexo de Wasau, Wisconsin
Porfírio molibdênioClimax-typeClimax, Colorado
MetamórficoGnaisse migmatizado
Elementos de terras raras de urânio
Music Valley, Califórnia
Mary Kathleen, Queensland
Fosfato estratiforme residualFosforito de plataforma
Associado a carbonatita
Laterita associada ao granito
Bauxita Baddeleyita
Karst bauxita
Sudeste de Idaho
Mount Weld, Austrália Ocidental
Sul da China
Poços de Caldas, Brasil
Montenegro
PaleoplacerConglomerado de seixos de quartzo pirítico uranífero
Conglomerado de seixo de quartzo pirítico aurífero
Elliot Lake, Ontário
Witwatersrand, África do Sul
PlacerPlacerador mineral pesado de Ti costeiro
Plot stream de estanho
Cooljarloo, Austrália Ocidental
Malásia


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