Metāli

Retzemju elementu ģeoloģija



Pārpublicēts no: Amerikas Savienoto Valstu galvenie retzemju elementu noguldījumi, USGS zinātnisko pētījumu ziņojums 2010-5220Autori Keita R. Lona, Bredlijs S. Van Gosens, Nora K. Foleja un Daniels Kordjē.

Retzemju elementu karte: Retzemju elementu rajoni Amerikas Savienotajās Valstīs galvenokārt atrodas rietumos. Šī karte parāda potenciālo ražošanas vietu atrašanās vietu - lai palielinātu karti, redziet visas atrašanās vietas.

Retzemju elementi nav "reti"

Vairāki retzemju elementu dabiskās parādīšanās ģeoloģiskie aspekti spēcīgi ietekmē retzemju elementu izejvielu piegādi. Šie ģeoloģiskie faktori tiek uzrādīti kā faktu paziņojumi, kam seko detalizēta diskusija.

Kaut arī retzemju elementi Zemes garozā ir samērā bagātīgi, tie reti tiek koncentrēti raktuvju rūdas atradnēs.

Aplēstā vidējā retzemju elementu koncentrācija Zemes garozā, kas svārstās no aptuveni 150 līdz 220 daļām uz miljonu (1. tabula), pārsniedz daudzu citu metālu, kurus iegūst rūpnieciskā mērogā, piemēram, vara (55 daļas uz vienu) miljons) un cinks (70 daļas uz miljonu). Atšķirībā no vairuma komerciāli ieguvušo parasto un dārgmetālu, retzemju elementi reti tiek koncentrēti raktuvju rūdas atradnēs.

Retzemju elementu koncentrācijas

Retzemju elementu galvenās koncentrācijas ir saistītas ar neparastām citur nezināmu iežu, proti, sārmu iežu un karbonatītu, šķirnēm. Potenciāli noderīgas REE saturošu minerālu koncentrācijas ir atrodamas arī placeru nogulumos, atlikumu nogulumos, kas veidojas nezināmu iežu dziļā ietekmē, pegmatītos, vara-zelta dzelzs oksīda nogulšņos un jūras fosfātos (2. tabula).


1. tabula: Retzemju elementu pārmērība

Retzemju elementsVedefols
(1995)
Lide
(1997)
Makgils
(1997)
Lantāns30395 līdz 18
Cērijs6066.520 līdz 46
Prazeodīms6.79.2No 3.5 līdz 5.5
Neodīms2741.512 līdz 24
Samārijs5.37.05No 4.5 līdz 7
Europium1.320,14 līdz 1,1
Gadolīnijs46.2No 4.5 līdz 6.4
Terbijs0.651.20,7 pret 1
Disprosijs3.85.2No 4.5 līdz 7.5
Holmijs0.81.3No 0,7 līdz 1,2
Erbijs2.13.52,5 līdz 6,5
Tūlijs0.30.520,2 pret 1
Ytterbium23.22,7 līdz 8
Lutecijs0.350.8No 0,8 līdz 1,7
Itrijs243328.-70
Scandium16225 līdz 10
Kopā184.3242.17

1. tabula. Aplēses par retzemju elementu garozas pārpilnību. Retzemju elementi, kas uzskaitīti atomu skaita pieauguma secībā; itrijs (Y) ir iekļauts šajos elementos, jo tam ir ķīmiskās un fizikālās līdzības ar lantanīdiem. Mērvienība, daļas uz miljonu.

Sārmaini magnētiskie ieži un magmas

Sārmainās citurienes ieži veidojas magmu atdzišanas rezultātā, ko iegūst, nelielā mērā daļēji izkausējot klintis Zemes mantijā. Sārmu iežu veidošanās ir sarežģīta un nav pilnībā izprotama, bet to var uzskatīt par ģeoloģisku procesu, kas iegūst un koncentrē tos elementus, kas neietilpst parasto iežu veidojošo minerālu struktūrā.

Iegūtās sārmainās magmas ir reti sastopamas un neparasti bagātinātas ar tādiem elementiem kā cirkonijs, niobijs, stroncijs, bārijs, litijs un retzemju elementi. Kad šīs magmas nonāk Zemes garozā, to ķīmiskais sastāvs turpina mainīties, reaģējot uz apkārtējo iežu spiediena, temperatūras un sastāva izmaiņām. Rezultāts ir pārsteidzoša akmeņu veidu daudzveidība, kas ir ievērojami bagātināti ar ekonomiskajiem elementiem, ieskaitot retzemju elementus. Derīgo izrakteņu atradnes, kas saistītas ar šīm klintīm, arī ir diezgan dažādas un neērtas klasificēt, jo šo atradņu atšķirīgās iezīmes un to retums var izraisīt klasifikāciju, kurai ir tikai viens vai daži zināmi piemēri.

Retzemju elementu ģeoloģiskā karte: Lielākā daļa no Mountain Pass retzemju elementu rajona Kalifornijas dienvidos vispārināta ģeoloģiskā karte. Parādīts simtiem shkinkinite, syenite un carbonatite dambju tikai reprezentatīvs mazākums. Nav parādīti plaši mezozoiskā vai terciārā vecuma antisitiskie un rolitiskie dambji. No USGS atklātā faila pārskata 2005.-1219. Palielināt karti

Retzemju rūdu klasifikācija

Ar sārmainu iežu saistīto rūdu klasifikācija ir arī pretrunīga. 2. tabulā sniegta salīdzinoši vienkārša klasifikācija, kas seko analogi kategorijām nogulsnēm, kas saistītas ar nekalkalīniem nezināmajiem iežiem. Daži no neparastākajiem sārmainajiem iežiem, kas satur REE rūdas vai ir ar tiem saistīti, ir karbonāti un foskorīti, citur nezināmi ieži, kas sastāv galvenokārt no karbonāta un fosfāta minerāliem. Karbonatīti un jo īpaši foskorīti ir salīdzinoši reti, jo pasaulē ir tikai 527 zināmi karbonatīti (Woolley and Kjarsgaard, 2008). REE saturošu minerālu ekonomiskās koncentrācijas rodas dažos sārmainos iežos, riepās un karbonātu aizvietojošos nogulumos, kas saistīti ar sārmainu ieplūšanu, vēnām un grāvjiem, sagriežot sārmainus savvaļas kompleksus un apkārtējos iežus, kā arī augsnēs un citās sārmainu iežu atmosfēras iedarbībā.

REE periodiskā tabula: Retās Zemes elementi ir 15 lantanīdu sērijas elementi, kā arī itrijs. Skandijs ir sastopams lielākajā daļā retzemju elementu atradņu un dažreiz tiek klasificēts kā retzemju elements. Image by.

Retzemju planšetdatoru noguldījumi

Visu veidu akmeņu izturība pret atmosfēras iedarbību rada nogulumus, kas tiek noglabāti visdažādākajā vidē, piemēram, strautos un upēs, krasta līnijās, aluvenu ventilatoros un deltā. Erozijas procesā blīvāki minerāli, īpaši zelts, tiek koncentrēti nogulsnēs, kuras sauc par placeriem. Atkarībā no erozijas produktu avota noteiktus retzemju elementus saturošus minerālus, piemēram, monazītu un ksenotīmu, var koncentrēt kopā ar citiem smagajiem minerāliem.

Avotam nav jābūt sārmainai citur nezināmai ieži vai ar to saistītai retzemju atradnei. Daudzos parastos nervozos, metamorfos un pat vecākos nogulumiežos ir pietiekami daudz monazīta, lai iegūtu monazītu saturošu placeru. Tā rezultātā monazīts gandrīz vienmēr ir atrodams jebkurā placera depozītā. Tomēr tie vietnieku tipi, kuriem ir vislielākā monazīta koncentrācija, parasti ir ilmenīta-smago minerālu ievietošanas materiāli, kas ir iegūti titāna oksīda pigmentiem, un kasetitrīti, kas ir iegūti alvas gadījumā.

Dzelzs kalna retzemju atradne: Uz ziemeļrietumiem vērsts skats uz Iron Hill, Gunnison County, Colorado. Dzelzs kalnu veido milzīgs karbonātu krājums, kas veido sārmainā uzmācīgā kompleksa centru. Šajā kompleksā atrodas daudzi minerālu resursi, ieskaitot titānu, niobiju, retzemju elementus un toriju. USGS attēls.

Retzemju nogulsnes

Tropu vidē klintis ir dziļi attārpotas, veidojot unikālu augsnes profilu, kas sastāv no laterīta, ar dzelzi un alumīniju bagātas augsnes, kas ir pat desmitiem metru bieza. Augsnes veidošanās procesos smagie minerāli parasti tiek koncentrēti kā atlikuma nogulsnes, iegūstot bagātināta metāla slāni virs pamatā esošā, nepiesārņotā pamatieža.

Ja retzemju zemes atradne tiek pakļauta šādiem laikapstākļiem, tā var būt bagātināta ar retzemju elementiem ekonomiskās intereses koncentrācijā. Īpašu REE atradņu veidu, jonu absorbcijas tipu, veido retzemju elementu izskalošanās no šķietami parastajām savvaļas iežiem un elementu nostiprināšana uz mālajiem augsnē. Šīs atradnes ir zināmas tikai Ķīnas dienvidos un Kazahstānā, un to veidošanās ir slikti izprotama.

Retzemju elementi pegmatītos

Starp pegmatītiem ļoti rupji graudainu, uzmācīgu nervu iežu grupa, niobija-itrija-fluora saime, satur lielu skaitu apakštipu, kas veidojas dažādās ģeoloģiskās vidēs. Šie apakštipi ir granīta formā un parasti ir perifēri līdz lieliem granīta iebrukumiem. Tomēr kopumā retzemju elementus saturoši pegmati ir parasti mazāki, un tie ekonomiski interesē tikai minerālu savācējus.

Citi retzemju atradņu veidi

Dzelzs oksīda vara-zelta depozīta tips ir atzīts par atšķirīgu depozīta veidu tikai kopš milzu olimpiskā dambja atradnes atklāšanas Austrālijas dienvidos 1980. gados. Olimpiskā dambja atradne ir neparasta ar to, ka tajā ir liels daudzums retzemju elementu un urāna. Vēl nav atrasta ekonomiska metode reto zemes elementu atgūšanai no šīm atradnēm. Visā pasaulē ir identificēti daudzi citi šāda veida nogulsnes, taču informācijas par to retzemju elementu saturu parasti trūkst. Magnetīta-apatīta aizvietotājos ir arī retzemju elementu pēdas.

Karstu boksīti, ar alumīniju bagāti grunti, kas uzkrājas kavernā kaļķakmenī (pamatā esošā karsta topogrāfija) Melnkalnē un citur, ir bagātināti ar retzemju elementiem, bet iegūtās koncentrācijas nerada ekonomisku interesi (Maksimovic un Pantó, 1996). To pašu var teikt par jūras fosfātu atradnēm, kas var saturēt pat 0,1 procentus REE oksīdu (Altschuler un citi, 1966). Rezultātā ir izpētīta retzemju elementu reģenerācija kā fosfātu mēslošanas līdzekļu blakusprodukts.

Retzemju elementu rūdas ir mineraloģiski un ķīmiski sarežģītas un parasti radioaktīvas.

Minerālu apstrāde izaicinājumiem

Daudzās parasto un dārgmetālu atradnēs ekstrahētie metāli ir ļoti koncentrēti vienā minerālu fāzē, piemēram, varš halkopirītā (CuFeS2) vai cinks sphalerītā (ZnS). Atsevišķas minerālfāzes atdalīšana no klints ir salīdzinoši viegls uzdevums. Galaprodukts ir koncentrāts, ko parasti nosūta uz kausēšanas rūpnīcu metālu galīgai ekstrakcijai un rafinēšanai. Piemēram, cinks gandrīz pilnībā tiek iegūts no minerālvielu sfalerīta, tā ka pasaules cinka kausēšanas un rafinēšanas nozare ir izstrādājusi ļoti specializētu šī minerāla apstrādi. Tādējādi cinka ražošanai ir izteiktas izmaksu priekšrocības, jo tiek izmantota vienota standarta tehnoloģija, un jaunas cinka raktuves izstrāde lielākoties ir parasts process.

Pašreizējā minerālu apstrādes prakse var secīgi atdalīt vairākas minerālu fāzes, bet ne vienmēr tas ir rentabli. Ja interesējošie elementi ir atrodami divās vai vairākās minerālu fāzēs, kur katrai ir nepieciešama atšķirīga ieguves tehnoloģija, minerālu apstrāde ir salīdzinoši dārga. Daudzos retzemju elementu atradnēs ir divas vai vairākas retzemju elementu nesošās fāzes. Tāpēc konkurences priekšrocības ir retzemju elementu atradnēm, kurās retzemju elementi galvenokārt ir koncentrēti vienā minerālu fāzē. Līdz šim REE ražošanu lielā mērā nodrošina vienas minerālfāzes atradnes, piemēram, Bayan Obo (bastnasīts), Mountain Pass (bastnasite) un smago minerālu ieguvēji (monazīts).

Kompleksā minerālu apstrāde

Retzemju elementus saturoši minerāli, kad tie ir atdalīti, satur pat 14 atsevišķus retzemju elementus (lantanīdus un itriju), kuri ir jānodala tālāk un jāattīra. Retzemju elementu ieguves un rafinēšanas sarežģītību ilustrē metalurģiskā plūsmas lapa Kalnu Kalnu raktuvei Mountain Pass (2. att.). Atšķirībā no metālu sulfīdiem, kas ir ķīmiski vienkārši savienojumi, REE saturoši minerāli ir diezgan sarežģīti. Parasto metālu sulfīdu rūdas, piemēram, sphalerite (ZnS), parasti tiek kausētas, lai sadedzinātu sēru un atdalītu piemaisījumus no kausētā metāla. Iegūtais metāls tiek tālāk attīrīts līdz gandrīz tīrībai ar elektrolīzes palīdzību. Retzemju elementi, no otras puses, parasti tiek ekstrahēti un rafinēti, izmantojot desmitiem ķīmisku procesu, lai atdalītu dažādus retzemju elementus un noņemtu piemaisījumus.

Galvenais REE saturošo minerālu kaitīgais piemaisījums ir torijs, kas rūdām rada nevēlamu radioaktivitāti. Tā kā radioaktīvos materiālus ir grūti izrakņāt un droši pārvietot, tie ir stingri reglamentēti. Ražojot radioaktīvos atkritumus, jāizmanto īpašas apglabāšanas metodes. Radioaktīvo materiālu apstrādes un apglabāšanas izmaksas ir nopietns šķērslis radioaktīvajiem REE bagātāko minerālu, jo īpaši monazīta, kas parasti satur ievērojamu daudzumu torija, ekonomiskai ieguvei. Faktiski stingrāku noteikumu piemērošana radioaktīvo minerālu izmantošanai 80. gados daudzus monazīta avotus izspieda no retzemju elementu tirgus.

Retās zemes elementu sarežģīto metalurģiju sarežģī fakts, ka neviena no divām REE rūdām nav patiesi līdzīgas. Rezultātā nav standarta procesa, kā iegūt REE saturošus minerālus un rafinēt tos tirgojamos retzemju savienojumos. Lai izstrādātu jaunu retzemju elementu raktuvi, rūdas ir plaši jāpārbauda, ​​izmantojot dažādas zināmas ieguves metodes un unikālu optimizētu apstrādes darbību secību. Salīdzinot ar jaunu cinka raktuvi, retzemju elementu izstrāde prasa ievērojami vairāk laika un naudas.


2. tabula: Retzemju elementus saturošu minerālu atradņu klasifikācija

AsociācijaVeidsPiemērs
Peralkalīna muižas iežiMagmatisks (sārma-ultrabāzes)
Pegmatīta grāvji (sārma-ultrabāzes)
Pegmatīta dambji (peralkalīns)
Hidrotermiskās vēnas un krājumi
Vulkāns
Metasomatiskais-albitīts
Lovozero, Krievija
Hibinas masīvs, Krievija
Motzfeldt, Grenlande
Lemhi Pass, Aidaho
Brokmens, Austrālijas rietumi
Miaska, Krievija
KarbonātiMagmatisks
Pīlīši un dialādes vēnas
Hidrotermiskās vēnas un krājumi
Skarn
Karbonāta iežu nomaiņa
Metasomatiskais-fenīts
Kalnu pāreja, Kalifornija
Kangakundes kalns, Malāvija
Gallinas Mtns., Ņūmeksika
Saima, Ķīna
Bajans Obo, Ķīna
Magnēta līcis, Arkanzasa
Vara-zelta dzelzs oksīdsMagnetīta-apatīta nomaiņa
Hematīta-magnīta brekcija
Ērgļu kalns, Kalifornijā
Olimpiskais aizsprosts, Austrālijas dienvidu daļa
PegmatītiAbesāls (smagi retzemju elementi)
Abyssal (viegli retzemju elementi)
Maskaviete (retzemju elementi)
Retzemju elementi-alanīts-monazīts
Retzemju elementi - eenenīts
Retzemju elementi-gadolinīts
Miarolīti-retzemju elementi-topāzs-berils
Miarolītiski retās zemes elementi - gadolinīts-fergusonīts
Aldan, Krievija
Piecas jūdzes, Ontārio
Egles priede, Ziemeļkarolīna
Dienvidu Platte, Kolorādo
Topsham, Meina
Ytterby, Zviedrija
Antero kalns, Kolorādo
Wasau komplekss, Viskonsina
Porfīrs molibdēnsClimax tipaClimax, Kolorādo
MetamorphicMigrēts gneiss
Urāna retzemju elementi skarn
Mūzikas ieleja, Kalifornijā
Mary Kathleen, Queensland
Stratiform fosfāta atlikumuPlatformas fosforīts
Saistīts ar karbonatītu
Ar granītu saistīts laterīts
Baddeleyite boksīts
Karsts boksīts
Aidaho dienvidaustrumi
Weld kalns, Austrālijas rietumi
Ķīnas dienvidi
Poços de Caldas, Brazīlija
Melnkalne
PaleoplacerisUraniferous piritiskā kvarca oļu konglomerāts
Auriferous piritiskā kvarca oļu konglomerāts
Eliota ezers, Ontārio
Witwatersrand, Dienvidāfrika
PlacerisKrastmalas Ti-smago minerālu placer
Alvas straumes ievietotājs
Cooljarloo, Austrālijas rietumi
Malaizija