Reeditado de: The Principal Rare Earth Elements Deposits of the United States, USGS Scientific Investigations Report 2010-5220 Por 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 los posibles lugares de producción – amplíe el mapa para ver todas las ubicaciones.
Los elementos de las tierras raras no son “raros”
Varios aspectos geológicos de la aparición natural de los elementos de las tierras raras influyen en gran medida en el suministro de materias primas de estos elementos. Estos factores geológicos se presentan como afirmaciones de hechos seguidas de una discusión detallada.
La concentración media estimada de los elementos de tierras raras en la corteza terrestre, que oscila entre 150 y 220 partes por millón (tabla 1), supera la de muchos otros metales que se extraen a escala industrial, como el cobre (55 partes por millón) y el zinc (70 partes por millón). Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los metales básicos y preciosos que se extraen comercialmente, los elementos de tierras raras rara vez se concentran en yacimientos mineros.
Concentraciones de elementos raros de la tierra
Las principales concentraciones de elementos raros de la tierra están asociadas a variedades poco comunes de rocas ígneas, concretamente a rocas alcalinas y carbonatitas. También se encuentran concentraciones potencialmente útiles de minerales portadores de REE en depósitos aluviales, depósitos residuales formados a partir de la meteorización profunda de rocas ígneas, pegmatitas, depósitos de cobre-oro de óxido de hierro y fosfatos marinos (Tabla 2).
Tabla 1: Abundancias de los elementos raros de la tierra
Tabla 1. Estimaciones de las abundancias crustales de los elementos raros de la tierra. [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 a partir del enfriamiento de magmas derivados de pequeños grados de fusión parcial de rocas del manto terrestre. La formación de las rocas alcalinas es compleja y no se comprende del todo, 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 las rocas.
Los magmas alcalinos resultantes son raros e inusualmente enriquecidos en elementos como el circonio, el niobio, el estroncio, el bario, el litio y los elementos de las tierras raras. Cuando estos magmas ascienden a la corteza terrestre, su composición química sufre nuevos 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 yacimientos minerales asociados a estas rocas son igualmente muy diversos y difíciles de clasificar, ya que las características distintivas de estos yacimientos y su rareza pueden dar lugar a clasificaciones que sólo tienen uno o unos pocos ejemplos conocidos.
Mapa geológica de elementos de tierras raras: Mapa geológico generalizado de la mayor parte del distrito de elementos de tierras raras de Mountain Pass, sur de California. Sólo se muestra una minoría representativa de los cientos de diques de shonkinita, sienita y carbonatita. No se muestran los diques andesíticos y riolíticos generalizados, de edad mesozoica o terciaria. De USGS Open-File Report 2005-1219. Ampliar el mapa.
Clasificación de los minerales de tierras raras
La clasificación de los minerales relacionados con las rocas alcalinas también es controvertida. El cuadro 2 presenta una clasificación relativamente sencilla que sigue categorías análogas para los yacimientos relacionados con rocas ígneas no alcalinas. Algunas de las rocas alcalinas más inusuales que albergan, o están relacionadas con, minerales de REE son las carbonatitas y las foscoritas, rocas ígneas compuestas principalmente por minerales de carbonato y fosfato, respectivamente. Las carbonatitas, y especialmente las foscoritas, son relativamente poco comunes, ya que sólo se conocen 527 carbonatitas en el mundo (Woolley y Kjarsgaard, 2008). Las concentraciones económicas de minerales portadores de REE se dan en algunas rocas alcalinas, skarns y depósitos de sustitución de carbonatos asociados a intrusiones alcalinas, vetas y diques que cortan complejos ígneos alcalinos y rocas circundantes, y suelos y otros productos de meteorización de rocas alcalinas.
Tabla Periódica de las Tierras Raras: Los elementos de las Tierras Raras son los 15 elementos de la serie de los lantánidos, más el 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 de Geology.com.
Yacimientos de Tierras Raras
La meteorización de todo tipo de rocas produce sedimentos que se depositan en una gran variedad de entornos, como arroyos y ríos, costas, abanicos aluviales y deltas. El proceso de erosión concentra los minerales más densos, sobre todo el oro, en depósitos conocidos como placeres. Dependiendo del origen de los productos de la erosión, algunos minerales portadores de elementos raros de la tierra, como la monacita y la xenotima, pueden concentrarse junto con otros minerales pesados.
No es necesario que la fuente sea una roca ígnea alcalina o un yacimiento de tierras raras relacionado. Muchas rocas ígneas comunes, metamórficas e incluso sedimentarias más antiguas contienen suficiente monacita para producir un placer con monacita. Como resultado, la monacita se encuentra casi siempre en cualquier depósito aluvial. Sin embargo, los tipos de depósitos aluviales con las mayores concentraciones de monacita son típicamente los depósitos de minerales pesados de ilmenita, que se han extraído para los pigmentos de óxido de titanio, y los depósitos de casiterita, que se extraen para el estaño.
Yacimiento de tierras raras de Iron Hill: Vista orientada al 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, incluyendo titanio, niobio, elementos de tierras raras y torio. Imagen del USGS.
Depósitos residuales de tierras raras
En los entornos tropicales, las rocas están profundamente erosionadas para formar un perfil de suelo único que consiste en laterita, un suelo rico en hierro y aluminio, de hasta varias decenas de metros de espesor. Los procesos de formación del suelo suelen concentrar los minerales pesados como depósitos residuales, lo que da lugar a una capa de metales enriquecidos sobre el lecho rocoso subyacente no meteorizado.
Cuando un yacimiento de tierras raras sufre este tipo de meteorización, puede estar enriquecido en elementos de tierras raras en concentraciones de interés económico. Un tipo particular de yacimiento de tierras raras, el de absorción de iones, se forma por la lixiviación de elementos de tierras raras de rocas ígneas aparentemente comunes y la fijación de los elementos en las arcillas del suelo. Estos depósitos sólo se conocen en el sur de China y en Kazajistán 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 del niobio-itrio-flúor, comprende un gran número de subtipos formados en diferentes entornos geológicos. Estos subtipos son de composición granítica y suelen encontrarse en la periferia de las grandes intrusiones graníticas. En general, sin embargo, las pegmatitas que contienen elementos de tierras raras suelen ser pequeñas y sólo tienen interés económico para los coleccionistas de minerales.
Otros tipos de yacimientos de tierras raras
El tipo de yacimiento de óxido de hierro, cobre y oro ha sido reconocido como un tipo de yacimiento distinto sólo desde el descubrimiento del gigantesco yacimiento de Olympic Dam en el sur de Australia en la década de 1980. El yacimiento de Olympic Dam 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 en general se carece de información sobre su contenido de elementos raros de la tierra. También se han identificado trazas de elementos de tierras raras en depósitos de sustitución de magnetita-apatita.
Las bauxitas kársticas, suelos ricos en aluminio que se acumulan en calizas cavernosas (topografía kárstica subyacente) en Montenegro y otros lugares, están enriquecidas en elementos de tierras raras, pero las concentraciones resultantes no tienen interés económico (Maksimovic y Pantó, 1996). Lo mismo puede decirse de los depósitos de fosfatos marinos, que pueden contener hasta un 0,1% de óxidos de REE (Altschuler y otros, 1966). En consecuencia, se ha investigado la recuperación de elementos de tierras raras como subproducto de la fabricación de fertilizantes de fosfato.
Procesamiento de minerales para desafíos
En muchos yacimientos 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 suele enviarse a una fundición para la extracción final y el refinado de los metales. El zinc, por ejemplo, procede casi en su totalidad del mineral esfalerita, de manera que la industria mundial de fundición y refinado de zinc ha desarrollado un tratamiento muy especializado de este mineral. Así, la producción de zinc tiene una pronunciada ventaja en cuanto a costes, ya que se utiliza una única tecnología estándar 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 separar secuencialmente múltiples fases minerales, pero no siempre es rentable hacerlo. Cuando los elementos de interés se encuentran 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 yacimientos de elementos de tierras raras contienen dos o más fases portadoras de elementos de tierras raras. Por lo tanto, los yacimientos de elementos de tierras raras en los que éstos se concentran en gran medida en una sola fase mineral tienen una ventaja competitiva. Hasta la fecha, la producción de elementos raros de la tierra ha procedido en gran medida de yacimientos de una sola fase mineral, como Bayan Obo (bastnasita), Mountain Pass (bastnasita) y depósitos de minerales pesados (monacita).
Procesamiento de minerales complejos
Los minerales que contienen elementos de tierras raras, una vez separados, contienen hasta 14 elementos individuales de tierras raras (lantánidos e itrio) que deben ser separados y refinados. La complejidad de la extracción y el refinado de los elementos de las tierras raras queda ilustrada por el diagrama de flujo metalúrgico de la mina de Mountain Pass, en California (fig. 2). A diferencia de los sulfuros metálicos, que son compuestos químicamente simples, los minerales portadores de REE son bastante complejos. Los minerales de sulfuro de metales básicos, como la esfalerita (ZnS), suelen fundirse para quemar el azufre y separar las impurezas del metal fundido. El metal resultante se refina hasta alcanzar una pureza casi total mediante electrólisis. Los elementos de las tierras raras, por su parte, suelen extraerse y refinarse mediante docenas de procesos químicos para separar los distintos elementos de las tierras raras y eliminar las impurezas.
La principal impureza nociva de los minerales que contienen ETR es el torio, que confiere una radiactividad no deseada a los minerales. Como los materiales radiactivos son difíciles de extraer y manipular con seguridad, están muy regulados. Cuando se produce un residuo radiactivo, hay que utilizar métodos especiales de eliminación. El coste de la manipulación y eliminación del material radiactivo es un serio impedimento para la extracción económica de los minerales más radiactivos ricos en REE, en particular la monacita, que suele contener cantidades considerables de torio. De hecho, la imposición de normativas más estrictas sobre el uso de minerales radiactivos expulsó a muchas fuentes de monacita del mercado de elementos de tierras raras durante la década de 1980.
La compleja metalurgia de los elementos de tierras raras se ve agravada por el hecho de que no hay dos minerales de REE que sean realmente iguales. Por ello, no existe un proceso estándar para extraer los minerales que contienen REE y refinarlos para obtener compuestos de tierras raras comercializables. Para desarrollar una nueva mina de elementos de tierras raras, los minerales deben probarse exhaustivamente utilizando 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 del proceso para los elementos de tierras raras cuesta mucho más tiempo y dinero.
Tabla 2: Clasificación de los yacimientos minerales de elementos de tierras raras
