Metallid

Haruldaste muldmetallide geoloogia

Haruldaste muldmetallide geoloogia



Taas avaldatud alates: Ameerika Ühendriikide haruldaste muldmetallide põhimaardlad, USGS teadusuuringute aruanne 2010-5220Autorid Keith R. Long, Bradley S. Van Gosen, Nora K. Foley ja Daniel Cordier.

Haruldaste muldmetallide kaart: Ameerika Ühendriikide haruldaste muldmetallide elemendid asuvad peamiselt läänes. See kaart näitab võimalike tootmiskohtade asukohti - suurendage kaarti, et näha kõiki asukohti.

Haruldaste muldmetallide elemendid pole "haruldased"

Haruldaste muldmetallide loodusliku esinemise mitmed geoloogilised aspektid mõjutavad tugevalt haruldaste muldmetallide toorainete pakkumist. Need geoloogilised tegurid on esitatud faktidena, millele järgneb üksikasjalik arutelu.

Ehkki haruldaste muldmetallide elemente on maapõues suhteliselt palju, kontsentreeritakse need harva kaevandatavatesse maagi maardlatesse.

Haruldaste muldmetallide hinnanguline keskmine kontsentratsioon maapõues, mis jääb vahemikku umbes 150 kuni 220 osi miljoni kohta (tabel 1), ületab paljude muude tööstuslikult mõõdetavate metallide, näiteks vase (55 osa ühe inimese kohta) kontsentratsiooni. miljonit) ja tsinki (70 osa miljoni kohta). Erinevalt enamikust kaubanduslikult kaevandatud alus- ja väärismetallidest kontsentreeritakse haruldaste muldmetallide elemendid harva kaevandatavatesse maagi maardlatesse.

Haruldaste muldmetallide kontsentratsioonid

Haruldaste muldmetallide põhikontsentratsioonid on seotud haruldaste tardkivimite, nimelt aluseliste kivimite ja karbonitiitidega. REE-d sisaldavate mineraalide potentsiaalselt kasulikke kontsentratsioone leidub ka platserimaardlates, tardkivimite sügavast ilmastikuolust moodustunud jääkmaardlates, pegmatiitides, raudoksiidi vask-kullamaardlates ja merefosfaatides (tabel 2).


Tabel 1: haruldaste muldmetallide arvukus

Haruldaste muldmetallide elementWedephol
(1995)
Lide
(1997)
McGill
(1997)
Lantaan30395-18
Tseerium6066.520 kuni 46
Praseodüüm6.79.23,5 kuni 5,5
Neodüüm2741.512 kuni 24
Samarium5.37.054,5 kuni 7
Europium1.320,14 kuni 1,1
Gadoliinium46.24,5 kuni 6,4
Terbium0.651.20,7 kuni 1
Düsproosium3.85.24,5 kuni 7,5
Holmium0.81.30,7–1,2
Erbium2.13.52,5 kuni 6,5
Tuulium0.30.520,2 kuni 1
Ytterbium23.22,7 kuni 8
Lutsuum0.350.80,8–1,7
Ütrium243328–70
Scandium16225–10
Kokku184.3242.17

Tabel 1. Prognoosid haruldaste muldmetallide maakoore arvukuse kohta. Haruldaste muldmetallide elemendid on loetletud aatomi arvu suurenemise järjekorras; ütrium (Y) kuulub nende elementide hulka, kuna sellel on keemilised ja füüsikalised sarnasused lantaniididega. Mõõtühik, miljondiku kohta.

Leeliselised magnetilised kivimid ja magmad

Leelised tardkivimid tekivad magmade jahutamisel, mis tuleneb kivide osalisest sulamisest Maa vahevöös. Aluseliste kivimite moodustumine on keeruline ja seda ei saa täielikult mõista, kuid seda võib pidada geoloogiliseks protsessiks, mis ekstraheerib ja kontsentreerib neid elemente, mis ei sobi tavaliste kivimit moodustavate mineraalide struktuuriga.

Saadud aluselised magmad on haruldased ja ebaharilikult rikastatud selliste elementidega nagu tsirkoonium, nioobium, strontsium, baarium, liitium ja haruldaste muldmetallide elemendid. Kui need magmad tõusevad maapõue, muutuvad nende keemiline koostis veelgi, reageerides ümbritsevate kivimite rõhu, temperatuuri ja koostise muutustele. Tulemuseks on hämmastav mitmekesisus kivimitüüpide vahel, mis on erinevalt rikastatud majanduslike elementidega, sealhulgas haruldaste muldmetallidega. Nende kivimitega seotud maavarade ladestused on samuti üsna mitmekesised ja neid on keeruline liigitada, kuna nende maardlate eripära ja nende haruldus võivad viia klassifikatsioonideni, millel on ainult üks või paar tuntud näidet.

Haruldaste muldmetallide geoloogiline kaart: Üldine geoloogiline kaart enamikust Mountain Passi haruldaste muldmetallide piirkonnast Lõuna-Californias. Sadadest šoniiniidi, süeniidi ja karbonati tammist on näidatud ainult esindusvähemus. Mesosoikumse või tertsiaarse vanusega laialt levinud andesiitseid ja roliitilisi paisusid ei näidata. Alates USGS-i avatud toimiku aruandest 2005-1219. Suurenda kaarti

Haruldaste muldmetallide maagi klassifikatsioon

Samuti on vaieldav aluseliste kivimitega seotud maakide klassifitseerimine. Tabelis 2 on esitatud suhteliselt lihtne liigitus, mis järgib analoogi kategooriaid mittekalkaliinsete tardkivimitega seotud maardlate jaoks. Mõned ebaharilikumad aluselised kivimid, mis sisaldavad või on nendega seotud REE maagid, on karboniit ja foskoriit, tardkivimid, mis koosnevad vastavalt vastavalt karbonaat- ja fosfaatmineraalidest. Karbonaadid ja eriti foskoriidid on suhteliselt haruldased, kuna maailmas on teada vaid 527 karbonatiiti (Woolley ja Kjarsgaard, 2008). REE-kandvate mineraalide majanduslikud kontsentratsioonid esinevad mõnedes aluselistes kivimites, koljus ja karbonaati asendavates maardlates, mis on seotud leeliselise sissetungi, veenide ja tammidega, mis lõikavad leeliselisi tardkomplekse ja neid ümbritsevaid kivimeid ning mulda ja muid leeliseliste kivimite ilmastikutingimusi mõjutavaid aineid.

REE perioodiline tabel: Haruldaste muldmetallide elemendid on 15 lantaniidiseeria elementi, millele lisandub ütrium. Skandiumit leidub enamikus haruldaste muldmetallide maardlates ja seda klassifitseeritakse mõnikord haruldaste muldmetallide elemendiks. Pilt autorilt.

Haruldaste muldmetallide deponeerimine

Igat tüüpi kivimite ilmastikutingimused annavad setteid, mis ladestuvad väga erinevas keskkonnas, näiteks ojades ja jõgedes, kaldajoontes, alluviaalsetes ventilaatorites ja deltas. Erosiooniprotsess kontsentreerib tihedamad mineraalid, eriti kulla, ladestusteks, mida nimetatakse paigutajateks. Sõltuvalt erosioonitoodete allikast võivad teatud haruldaste muldmetallide elemente sisaldavad mineraalid, nagu monasiit ja ksenotiim, kontsentreeruda koos teiste raskete mineraalidega.

Allikas ei pea olema leeliseline tardkivim ega sellega seotud haruldaste muldmetallide leiukoht. Paljud tavalised tard-, moondamis- ja isegi vanemad settekivimid sisaldavad monasiiti piisavalt monasiiti kandva platserdi saamiseks. Selle tulemusel leidub monasiiti peaaegu alati ükskõik millises platserdi hoiuses. Kuid kõige suurema monasitiidi kontsentratsiooniga tüübid on tüüpiliselt ilmeniidist rasked mineraalpaigaldised, mis on kaevandatud titaanoksiidipigmentide jaoks, ja kasetriidipaigutajad, mida kaevandatakse tina jaoks.

Iron Hilli haruldaste muldmetallide leiukoht: Colorado Gunnisoni maakonnas asuv Raudmägi loode poole. Raudumägi moodustab massiivne karbonatiidivarud, mis moodustab aluselise pealetükkiva kompleksi keskpunkti. Selles kompleksis on palju maavarasid, sealhulgas titaan, nioobium, haruldaste muldmetallide elemendid ja toorium. USGS-i pilt.

Haruldaste muldmetallide jääkmaardlad

Troopilises keskkonnas on kivimid sügavalt ilmastikuolud, moodustades ainulaadse mullaprofiili, mis koosneb lateriidist, raua- ja alumiiniumirikast pinnasest, mis ulatub isegi kümnete meetriteni. Pinnase moodustumise protsessides kontsentreeritakse tavaliselt rasked mineraalid jääkidena, mille tulemuseks on rikastatud metalli kiht aluspõhja niiske aluspõhja kohal.

Kui haruldaste muldmetallide maardlas ilmastikutingimused ilmnevad, võib see rikastada haruldaste muldmetallide elemente majanduslikult huvipakkuvates kontsentratsioonides. Teatud tüüpi REE ladestumine, ioonide neeldumise tüüp, moodustub haruldaste muldmetallide leostumisel näiliselt tavalistest tardkivimitest ja elementide kinnitamisel pinnases olevatele savidele. Neid maardlaid teatakse ainult Lõuna-Hiinas ja Kasahstanis ning nende moodustumisest on halvasti aru saadud.

Haruldaste muldmetallide elemendid pegmatiitides

Pegmatiitide hulgas on rühm väga jämedateralist pealetükkivat tardkivimit, nioobium-ütrium-fluoriperekond, arvukalt alatüüpe, mis on moodustatud erinevates geoloogilistes keskkondades. Need alatüübid on graniidse koostisega ja tavaliselt leitakse perifeersetena suurte graniidi sissetungide korral. Üldiselt on haruldaste muldmetallide elemente kandvad pegmatiidid üldiselt siiski väikesed ja pakuvad majanduslikku huvi ainult mineraalide kogujatele.

Muud haruldaste muldmetallide maardlatüübid

Raudoksiidi vask-kuld maardlatüüpi on eraldi maardlatüübina tunnustatud alles pärast hiiglasliku olümpiatammi maardla avastamist Lõuna-Austraalias 1980ndatel. Olümpiatammi maardla on ebatavaline selle poolest, et sisaldab suures koguses haruldaste muldmetallide elemente ja uraani. Majanduslikku meetodit haruldaste muldmetallide leidmiseks nendest leiukohtadest ei ole veel leitud. Kogu maailmas on tuvastatud palju muid seda tüüpi maardlaid, kuid nende haruldaste muldmetallide elementide sisalduse kohta üldiselt puudub teave. Magnetiidi-apatiidi asendusmaardlates on tuvastatud ka haruldaste muldmetallide elementide mikrokogused.

Karstud boksiidid, alumiiniumirikkad mullad, mis kogunevad koopakaudsesse lubjakivisse (karstitopograafia aluseks) Montenegros ja mujal, on rikastatud haruldaste muldmetallidega, kuid sellest tulenevad kontsentratsioonid ei paku majanduslikku huvi (Maksimovic ja Pantó, 1996). Sama võib öelda ka merefosfaatide ladestuste kohta, mis võivad sisaldada kuni 0,1 protsenti REE oksiide (Altschuler jt, 1966). Selle tulemusel on uuritud haruldaste muldmetallide elementide taastumist fosfaatväetiste tootmise kõrvalsaadusena.

Haruldaste muldmetallide maagid on mineraloogiliselt ja keemiliselt keerukad ning tavaliselt radioaktiivsed.

Mineraalide töötlemine väljakutsete jaoks

Paljudes mitteväärismetallide ja väärismetallide maardlates on ekstraheeritud metallid kontsentreerunud tugevalt ühes mineraalfaasis, näiteks vask kalkopüriidis (CuFeS2) või tsink sphaleriidis (ZnS). Üksiku mineraalfaasi eraldamine kivimist on suhteliselt lihtne ülesanne. Lõppsaadus on kontsentraat, mis saadetakse tavaliselt sulatusele metallide lõplikuks ekstraheerimiseks ja rafineerimiseks. Näiteks tsink on peaaegu täielikult saadud mineraalsfaleriidist, nii et ülemaailmne tsingi sulatus- ja rafineerimistööstus on välja töötanud selle mineraali kõrgelt spetsialiseerunud töötlemise. Seega on tsingi tootmisel ilmne kulude eelis, kuna kasutatakse ühte standardset tehnoloogiat ja uue tsingikaevanduse väljatöötamine on suuresti tavapärane protsess.

Praegune mineraalide töötlemise praktika võimaldab mitme mineraalse faasi järjestikku eraldada, kuid see pole alati tasuv. Kui huvipakkuvaid elemente leitakse kahes või enamas mineraalfaasis, millest igaüks nõuab erinevat kaevandamistehnoloogiat, on mineraalide töötlemine suhteliselt kulukas. Paljud haruldaste muldmetallide maardlad sisaldavad kahte või enamat haruldaste muldmetallide elemente kandvat faasi. Seetõttu on haruldaste muldmetallide maardlatel, milles haruldaste muldmetallide elemendid on peamiselt kontsentreeritud ühte mineraalsesse faasi, konkurentsieelis. Praeguseks on REE tootmine suures osas tulnud ühe mineraalfaasi maardlatest, näiteks Bayan Obo (bastnasiit), Mountain Pass (bastnasiit) ja raskesti mineraalide aseainetest (monasiit).

Kompleksne mineraalide töötlemine

Haruldaste muldmetallide elemente sisaldavad mineraalid, kui need on eraldatud, sisaldavad kuni 14 üksikut haruldaste muldmetallide elementi (lantaniidid ja ütrium), mida tuleb täiendavalt eraldada ja täiendada. Haruldaste muldmetallide kaevandamise ja rafineerimise keerukust illustreerib Californias asuva Mountain Pass'i kaevanduse metallurgiline vooluleht (joonis 2). Erinevalt metallisulfiididest, mis on keemiliselt lihtsad ühendid, on REE-d sisaldavad mineraalid üsna keerukad. Väärismetallide sulfiidimaagid, näiteks sphaleriit (ZnS), tavaliselt sulatatakse väävli põletamiseks ja sulanud metalli lisandite eraldamiseks. Saadud metalli rafineeritakse elektrolüüsiga peaaegu puhta puhtuseni. Seevastu haruldaste muldmetallide elemente ekstraheeritakse ja rafineeritakse tavaliselt kümnete keemiliste protsesside abil, et eraldada erinevad haruldaste muldmetallide elemendid ja eemaldada lisandid.

REE-d sisaldavate mineraalide peamine kahjulik lisand on toorium, mis annab maakidele soovimatu radioaktiivsuse. Kuna radioaktiivseid materjale on keeruline kaevandada ja ohutult käsitseda, on need rangelt reguleeritud. Radioaktiivsete jäätmete tootmisel tuleb kasutada spetsiaalseid kõrvaldamisviise. Radioaktiivsete materjalide käitlemise ja lõppladustamise kulud on tõsiseks takistuseks radioaktiivsetest radioaktiivsetest materjalidest rikaste mineraalide, eriti monasiidi, mis sisaldab tavaliselt märkimisväärses koguses tooriumi, majanduslikul kaevandamisel. Tegelikult ajendas radioaktiivsete mineraalide kasutamist rangemate eeskirjade kehtestamine 1980. aastatel palju monasiidi allikaid haruldaste muldmetallide turult.

Haruldaste muldmetallide elementide keerulist metallurgiat täiendab asjaolu, et ükski REE maagi pole ühesugused. Seetõttu ei ole REE-d sisaldavate mineraalide kaevandamiseks ja nende turustatavateks haruldaste muldmetallide ühenditeks töötlemiseks standardset protsessi. Uue haruldaste muldmetallide kaevanduse arendamiseks tuleb maagisid põhjalikult katsetada, kasutades erinevaid teadaolevaid kaevandamismeetodeid ja optimeeritud töötlemisetappide ainulaadset järjestust. Võrreldes uue tsingikaevandusega maksab haruldaste muldmetallide elementide väljatöötamine oluliselt rohkem aega ja raha.


Tabel 2: haruldaste muldmetallide elemente kandvate maavarade klassifikatsioon

ÜhingTüüpNäide
Peralkaline tardkivimidMagmaatiline (leeliselise ultrabaasiga)
Pegmatiidi tammid (leeliselised ja ultrabaasilised)
Pegmatiidi tammid (peralkaline)
Hüdrotermilised veenid ja varud
Vulkaaniline
Metasomaatne-albiit
Lovozero, Venemaa
Khibina massif, Venemaa
Motzfeldt, Gröönimaa
Lemhi Pass, Idaho
Brockman, Lääne-Austraalia
Miask, Venemaa
KarbonaadidMagmaatiline
Dikes ja dialateraalsed veenid
Hüdrotermilised veenid ja varud
Skarn
Karbonaatkivimi asendamine
Metasomaatne-feniit
Mountain Pass, California
Kangakunde mägi, Malawi
Gallinas Mtns., Uus-Mehhikos
Saima, Hiina
Bayan Obo, Hiina
Magnet Cove, Arkansas
Raudoksiid, vask-kuldMagnetiidi-apatiidi asendamine
Hematiit-magnetiidi breccia
Eagle Mountain, Californias
Lõuna-Austraalia olümpiatamm
PegmatiididAbessiin (rasked haruldaste muldmetallide elemendid)
Abessiin (kerged haruldaste muldmetallide elemendid)
Moskva (haruldaste muldmetallide elemendid)
Haruldased muldmetallid - alaniit-monasiit
Haruldased muldmetallid - eeniit
Haruldased muldmetallid-gadoliniit
Miaroliitsed-haruldased muldmetallid - topaas-berüül
Miaroliitsed-haruldased muldmetallid - gadoliniit-fergusoniit
Aldan, Venemaa
Viis miili, Ontario
Kuusk mänd, Põhja-Carolina
Lõuna-Platte, Colorado
Topsham, Maine
Ytterby, Rootsi
Antero mägi, Colorado
Wasau kompleks, Wisconsin
Porfüüri molübdeenClimax-tüüpiClimax, Colorado
MetamoorneMigreerunud gneiss
Uraan-haruldaste muldmetallide elemendid skarn
Music Valley, California
Mary Kathleen, Queensland
Stratiformi fosfaadi jääkPlatvormi fosforiit
Karbonaadiga seotud
Graniidiga seotud lateriit
Baddeleyite boksiit
Karsti boksiit
Ida-Idaho
Mount Weld, Lääne-Austraalia
Lõuna-Hiina
Poços de Caldas, Brasiilia
Montenegro
PaleoplacerUraniferne püriitne kvartskivi konglomeraat
Aurifoorne püriitne kvartskivi konglomeraat
Ellioti järv, Ontario
Witwatersrand, Lõuna-Aafrika
PlacerShoreline Ti-raske mineraalplats
Tinavoo paigutaja
Cooljarloo, Lääne-Austraalia
Malaisia