Металлы

Геология редкоземельных элементов

Геология редкоземельных элементов



Переиздано из: Основные месторождения редкоземельных элементов Соединенных Штатов, Отчет о научных исследованиях USGS 2010-5220Кит Р. Лонг, Брэдли С. Ван Гозен, Нора К. Фоли и Даниэль Кордье.

Карта редкоземельных элементов: Районы редкоземельных элементов в Соединенных Штатах в основном расположены на западе. Эта карта показывает местоположение потенциальных мест производства - увеличьте карту, чтобы увидеть все местоположения.

Редкоземельные элементы не редки

Несколько геологических аспектов естественного происхождения редкоземельных элементов сильно влияют на запасы сырья редкоземельных элементов. Эти геологические факторы представлены как констатация фактов с последующим подробным обсуждением.

Хотя редкоземельные элементы относительно многочисленны в земной коре, они редко концентрируются в рудных месторождениях.

Расчетная средняя концентрация редкоземельных элементов в земной коре, которая колеблется от 150 до 220 частей на миллион (таблица 1), превышает концентрацию многих других металлов, добываемых в промышленных масштабах, таких как медь (55 частей на миллион). млн.) и цинк (70 частей на миллион). Однако, в отличие от большинства добываемых в основном базовых и драгоценных металлов, редкоземельные элементы редко концентрируются в рудных месторождениях.

Концентрации редкоземельных элементов

Основные концентрации редкоземельных элементов связаны с редкими разновидностями магматических пород, а именно щелочных пород и карбонатитов. Потенциально полезные концентрации минералов, содержащих РЗЭ, также обнаружены в россыпных отложениях, остаточных отложениях, образованных в результате глубокого выветривания магматических пород, пегматитов, железооксидных медно-золотых месторождений и морских фосфатов (таблица 2).


Таблица 1: Изобилие редкоземельных элементов

Редкоземельный элементWedephol
(1995)
Лида
(1997)
McGill
(1997)
Лантан3039С 5 до 18
церий6066.5От 20 до 46
празеодимий6.79.23,5 до 5,5
неодим2741.5С 12 до 24
Самарий5.37.054,5 до 7
европий1.32От 0,14 до 1,1
гадолиний46.24,5 до 6,4
тербий0.651.2От 0,7 до 1
диспрозий3.85.24,5 до 7,5
Holmium0.81.3От 0,7 до 1,2
эрбий2.13.5От 2,5 до 6,5
Тулий0.30.52От 0,2 до 1
Иттербий23.2От 2,7 до 8
Лютеций0.350.80,8 до 1,7
Иттрий2433От 28 до 70
Скандий1622От 5 до 10
Общее184.3242.17

Таблица 1. Оценки численности коры редкоземельных элементов. Редкоземельные элементы перечислены в порядке возрастания атомного номера; Иттрий (Y) включен в эти элементы, потому что он имеет химическое и физическое сходство с лантаноидами. Единица измерения, частей на миллион.

Щелочные вулканические породы и магмы

Щелочные магматические породы образуются в результате охлаждения магм, возникающих в результате небольших степеней частичного таяния горных пород в мантии Земли. Формирование щелочных пород является сложным и не полностью понятым, но его можно рассматривать как геологический процесс, который извлекает и концентрирует те элементы, которые не вписываются в структуру обычных породообразующих минералов.

Получающиеся в результате щелочные магмы редки и необычно обогащены такими элементами, как цирконий, ниобий, стронций, барий, литий и редкоземельные элементы. Когда эти магмы поднимаются в земную кору, их химический состав претерпевает дальнейшие изменения в ответ на изменения давления, температуры и состава окружающих пород. Результатом является удивительное разнообразие типов горных пород, которые по-разному обогащаются экономическими элементами, включая редкоземельные элементы. Залежи полезных ископаемых, связанные с этими породами, также весьма разнообразны и неудобны для классификации, поскольку отличительные черты этих месторождений и их редкость могут привести к классификациям, которые имеют только один или несколько известных примеров.

Геологическая карта редкоземельного элемента: Обобщенная геологическая карта большей части района редкоземельных элементов Горного перевала в южной Калифорнии. Показано только репрезентативное меньшинство из сотен дайков шонкинит, сиенит и карбонатит. Широко распространенные андезитовые и риолитовые дайки мезозойского или третичного возраста не показаны. Из USGS Open-File Report 2005-1219. Увеличить карту.

Классификация редкоземельных руд

Классификация руд, связанных со щелочными породами, также противоречива. В таблице 2 представлена ​​относительно простая классификация, которая следует аналогичным категориям для месторождений, связанных с нещелочными магматическими породами. Некоторые из наиболее необычных щелочных пород, которые содержат или связаны с РЗЭ-рудами, представляют собой карбонатит и фоскорит, магматические породы, состоящие в основном из карбонатных и фосфатных минералов, соответственно. Карбонатиты, и особенно фоскориты, относительно редки, поскольку в мире известно всего 527 известных карбонатитов (Woolley and Kjarsgaard, 2008). Экономические концентрации РЗЭ-содержащих минералов встречаются в некоторых щелочных породах, скарнах и карбонатзамещающих отложениях, связанных с щелочными интрузиями, жилами и дамбами, пересекающими щелочные магматические комплексы и окружающие породы, а также в почвах и других продуктах выветривания щелочных пород.

REE Периодическая таблица: Редкоземельные элементы - это 15 элементов серии лантаноидов плюс иттрий. Скандий встречается в большинстве месторождений редкоземельных элементов и иногда классифицируется как редкоземельный элемент. Изображение предоставлено

Редкоземельные россыпные месторождения

Выветривание всех типов горных пород приводит к образованию осадков, которые откладываются в самых разных средах, таких как ручьи и реки, береговые линии, аллювиальные веера и дельты. Процесс эрозии концентрирует более плотные минералы, особенно золото, в месторождения, известные как россыпи. В зависимости от источника продуктов эрозии некоторые минералы, содержащие редкоземельные элементы, такие как монацит и ксенотим, могут быть сконцентрированы вместе с другими тяжелыми минералами.

Источник не должен быть щелочной магматической породой или связанным с ней редкоземельным месторождением. Многие распространенные магматические, метаморфические и даже более старые осадочные породы содержат достаточно монацита для образования монацитсодержащей россыпи. В результате монацит почти всегда встречается в любом россыпном месторождении. Однако типами россыпей с наибольшей концентрацией монацита обычно являются россыпи с тяжелыми минералами ильменита, которые добываются для пигментов на основе оксида титана, и россыпи касситерита, которые добываются для олова.

Редкоземельное месторождение Iron Hill: Северо-западный вид на Железный холм, округ Ганнисон, штат Колорадо. Железный холм образован массивной карбонатитовой массой, которая образует центр щелочного интрузивного комплекса. Этот комплекс содержит много полезных ископаемых, включая титан, ниобий, редкоземельные элементы и торий. USGS Image.

Остаточные редкоземельные месторождения

В тропических условиях породы глубоко выветриваются, образуя уникальный профиль почвы, состоящий из латерита, богатого железом и алюминием грунта толщиной до десятков метров. Процессы почвообразования обычно концентрируют тяжелые минералы в виде остаточных отложений, что приводит к образованию слоя обогащенного металла над нижележащим, неизветренным коренным породом.

Когда редкоземельное месторождение подвергается такому выветриванию, оно может быть обогащено редкоземельными элементами в концентрациях, представляющих экономический интерес. Особый тип месторождения РЗЭ, ионно-абсорбционный тип, формируется выщелачиванием редкоземельных элементов из, казалось бы, распространенных изверженных пород и закреплением элементов на глинах в почве. Эти месторождения известны только на юге Китая и в Казахстане, и их образование недостаточно изучено.

Редкоземельные элементы в пегматитах

Среди пегматитов группа очень крупнозернистых интрузивных магматических пород, семейство ниобий-иттрий-фтор, включает большое количество подтипов, сформированных в различных геологических средах. Эти подтипы являются гранитными по составу и обычно обнаруживаются периферийно к крупным гранитным интрузиям. В целом, однако, пегматиты, содержащие редкоземельные элементы, как правило, невелики и представляют экономический интерес только для коллекторов минералов.

Другие типы редкоземельных месторождений

Месторождение железооксидных медно-золотых месторождений было признано отличным типом месторождений только с момента открытия гигантского месторождения Олимпийская плотина в Южной Австралии в 1980-х годах. Месторождение Олимпийская плотина необычно тем, что содержит большое количество редкоземельных элементов и урана. Экономического метода извлечения редкоземельных элементов из этих месторождений пока не найдено. Многие другие месторождения этого типа были обнаружены во всем мире, но информация об их содержании редкоземельных элементов, как правило, отсутствует. Следовые количества редкоземельных элементов были также обнаружены в залежах замещения магнетит-апатит.

Карстовые бокситы, богатые алюминием почвы, которые накапливаются в кавернозных известняках (подстилающая карстовая топография) в Черногории и в других местах, обогащены редкоземельными элементами, но результирующие концентрации не представляют экономического интереса (Maksimovic and Pantó, 1996). То же самое можно сказать о морских фосфатных отложениях, которые могут содержать до 0,1% оксидов РЗЭ (Altschuler и др., 1966). В результате было изучено восстановление редкоземельных элементов как побочного продукта производства фосфорных удобрений.

Руды редкоземельных элементов минералогически и химически сложны и обычно радиоактивны.

Минеральная переработка для испытаний

Во многих месторождениях основных и драгоценных металлов извлеченные металлы высоко концентрированы в одной минеральной фазе, такой как медь в халькопирите (CuFeS2) или цинк в сфалерите (ZnS). Отделение одной минеральной фазы от породы является относительно простой задачей. Конечный продукт представляет собой концентрат, обычно отправляемый на металлургический завод для окончательного извлечения и рафинирования металлов. Например, цинк почти полностью получен из минерального сфалерита, так что мировая промышленность по плавке и рафинированию цинка разработала высокоспециализированную обработку этого минерала. Таким образом, производство цинка имеет явное экономическое преимущество в том, что используется одна стандартная технология, а разработка нового цинкового рудника является в значительной степени традиционным процессом.

Современная практика переработки минерального сырья позволяет последовательно разделять несколько минеральных фаз, но это не всегда экономически эффективно. Когда интересующие элементы обнаруживаются в двух или более минеральных фазах, каждая из которых требует различной технологии извлечения, переработка минерального сырья является относительно дорогостоящей. Многие месторождения редкоземельных элементов содержат две или более фаз, содержащих редкоземельные элементы. Следовательно, месторождения редкоземельных элементов, в которых редкоземельные элементы в значительной степени сосредоточены в одной минеральной фазе, имеют конкурентное преимущество. На сегодняшний день добыча РЗЭ в основном происходит из месторождений с одной минеральной фазой, таких как Bayan Obo (бастнасит), Mountain Pass (бастнасит) и россыпи тяжелых минералов (монацит).

Комплексная переработка полезных ископаемых

Минералы, содержащие редкоземельные элементы, после их отделения содержат до 14 отдельных редкоземельных элементов (лантаноидов и иттрия), которые необходимо дополнительно отделить и очистить. Сложность извлечения и рафинирования редкоземельных элементов иллюстрируется металлургической технологической картой для шахты Mountain Pass в Калифорнии (рис. 2). В отличие от сульфидов металлов, которые являются химически простыми соединениями, РЗЭ-содержащие минералы довольно сложны. Сульфидные руды основного металла, такие как сфалерит (ZnS), обычно выплавляют для сжигания серы и отделения примесей от расплавленного металла. Полученный металл далее очищается до почти чистоты электролизом. С другой стороны, редкоземельные элементы обычно извлекаются и очищаются с помощью десятков химических процессов для разделения различных редкоземельных элементов и удаления примесей.

Основной вредной примесью в минералах, содержащих РЗЭ, является торий, который придает руде нежелательную радиоактивность. Поскольку радиоактивные материалы трудно добывать и безопасно обращаться с ними, они строго регулируются. Когда образуются радиоактивные отходы, необходимо использовать специальные методы захоронения. Затраты на обработку и утилизацию радиоактивного материала являются серьезным препятствием для экономической добычи более радиоактивных богатых РЗЭ минералов, в частности монацита, который обычно содержит значительные количества тория. Фактически, введение более жестких правил использования радиоактивных минералов привело к тому, что многие источники монацита покинули рынок редкоземельных элементов в 1980-х годах.

Сложная металлургия редкоземельных элементов усугубляется тем фактом, что никакие две РЗЭ-руды действительно не похожи друг на друга. В результате не существует стандартного процесса извлечения минералов, содержащих РЗЭ, и их переработки в товарные редкоземельные соединения. Чтобы разработать новый рудник редкоземельных элементов, руды должны быть тщательно проверены с использованием различных известных методов добычи и уникальной последовательности оптимизированных этапов обработки. По сравнению с новым цинковым рудником разработка процесса для редкоземельных элементов стоит значительно больше времени и денег.


Таблица 2: Классификация месторождений полезных ископаемых, содержащих редкоземельные элементы

ассоциацияТиппример
Пералкалин магматические породыМагматик (щелочно-ультраосновный)
Пегматитовые дайки (щелочно-ультраосновные)
Пегматитовые дайки (пералкалин)
Гидротермальные вены и штокверки
вулканический
Метасоматический-альбититовый
Ловозеро, Россия
Хибинский массив, Россия
Моцфельдт, Гренландия
Пасс Лемхи, Айдахо
Брокман, Западная Австралия
Мяск, Россия
Карбонатитымагматический
Дайки и вены
Гидротермальные вены и штокверки
Скарновые
Замена карбонатной породы
Метасоматическое-фенитовой
Горный перевал, Калифорния
Холм Кангакунде, Малави
Gallinas Mtns., Нью-Мексико
Сайма, Китай
Баян Обо, Китай
Магнит Ков, Арканзас
Оксид железа медь-золотоМагнетит-апатитовая замена
Гематит-магнетитовая брекчия
Орлиная Гора, Калифорния
Олимпийская плотина, Южная Австралия
ПегматитыАбиссал (тяжелые редкоземельные элементы)
Абиссал (легкие редкоземельные элементы)
Москвич (редкоземельные элементы)
Редкоземельные элементы-алланит-монацит
Редкоземельные элементы-эвксенит
Редкоземельные элементы-гадолинит
Миаролит-редкоземельные элементы-топаз-берилл
Миаролит-редкоземельные элементы-гадолинит-фергусонит
Алдан, Россия
Пять Миля, Онтарио
Ель Сосна, Северная Каролина
Саут-Платт, Колорадо
Топшам, Мэн
Иттерби, Швеция
Гора Антеро, Колорадо
Комплекс Wasau, Висконсин
Порфир молибденовыйClimax типаКлимакс, Колорадо
МетаморфическиеМигматизированный гнейс
Уран-редкоземельные элементы скарн
Музыкальная Долина, Калифорния
Мэри Кэтлин, Квинсленд
Стратиформный фосфат остаточныйПлатформа фосфорита
Карбонатитового-ассоциированный
Ассоциированный с гранитом латерит
Бадделеитовый боксит
Карстовый боксит
Юго-восточный Айдахо
Гора Сварка, Западная Австралия
Южный Китай
Посос-де-Кальдас, Бразилия
Черногория
PaleoplacerУраноносный пиритовый кварцево-галечный конгломерат
Целлюлозно-пиритовый кварцево-галечный конгломерат
Озеро Эллиот, Онтарио
Витватерсранд, Южная Африка
россыпьШорлайн Ti-тяжелая минеральная россыпь
Россыпь
Cooljarloo, Западная Австралия
Малайзия

Смотреть видео: Дороже чем золото как найти ортит рутил редкоземельные металлы обучающее видео коп