De puissants rayons X révèlent la naissance de gisements géants d’éléments de terres rares – et peuvent fournir des indices sur l’exploitation minière durable

Il y a plus de dix ans, le soi-disant « crise des terres raresa mis en évidence la fragilité de la chaîne d’approvisionnement de ces minerais, Essentiel à la transition vers une économie neutre en carbone. La majeure partie de l’approvisionnement mondial en ces minéraux provient d’une poignée de gisements de minerai géants, mais nous savons encore peu de choses sur la façon dont ces gisements se sont formés.

Malgré leur nom, les éléments de terres rares sont relativement plus répandus dans la croûte terrestre, par rapport à des éléments tels que l’or et le platine. Cependant, les grands gisements concentrés propices à l’exploitation minière sont beaucoup plus rares.

Pour comprendre comment ces sédiments se sont formés, nous avons recréé les températures, les pressions et les environnements chimiques infernaux qui se produisent à des kilomètres sous la surface de la Terre, et avons utilisé des rayons X intenses pour sonder le comportement des éléments de terres rares jusqu’au niveau moléculaire.

Nous avons détecté un processus jusqu’alors inconnu Les éléments de terres rares peuvent se lier à un produit chimique commun appelé carbonate dans des liquides chauds sous haute pression. Cela fournit des indices sur la formation des gisements de terres rares, ainsi que sur la manière de procéder à une ingénierie inverse du processus d’extraction de ces minéraux rares de manière plus durable.

Que faut-il pour former un gisement géant de terres rares ?

le éléments de terres rares C’est un groupe de 15 métaux lourds mous et argentés trouvés au bas du tableau périodique (du lanthane au lutétium). Deux autres éléments (scandium et yttrium) sont souvent également inclus dans le groupe, en raison des similitudes dans leur comportement chimique.

Les gisements géants d’éléments de terres rares sont aujourd’hui associés à des types inhabituels de roches en fusion appelées carbonatites et magmas alcalins. Ce magma ne contient pas beaucoup de silicium (le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre après l’oxygène), mais contient plutôt beaucoup de minéraux alcalins (sodium et potassium), de calcium et d’éléments volatils comme le carbone, le fluor ou le phosphore.

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Toutes les roches qui nous entourent contiennent de grandes quantités de terres rares, mais elles sont concentrées dans cet étrange magma par cristallisation lente dans la croûte terrestre. Habituellement, cela ne suffit pas pour constituer des gisements de minerai, qui sont constitués de millions de tonnes de roches constituées de 5 à 50 % en poids d’éléments de terres rares. Une seconde étape de concentration s’impose.

Dans les sédiments géants tels que Bayan Obo en Mongolie intérieure, les liquides chauds chargés de carbonate semblent avoir subi cette étape de concentration supplémentaire. Mais comment exactement était un mystère.

Hades Safe Ticket avec vision aux rayons X

Nous pensons que les minerais de terres rares se sont formés à des kilomètres sous la surface de la terre. Il y a des millions d’années, des températures élevées (200-800 ℃) et des pressions (des centaines à des milliers de fois supérieures à la pression atmosphérique) ont converti des concentrations préexistantes d’éléments de terres rares en minerais précieux.

Il n’y a aucun moyen pour les géologues d’aller observer la formation de minerai, mais nous avons essayé de faire la meilleure chose suivante.

Nous avons pu recréer et étudier quelque chose comme les conditions qui prévalaient lors de la formation du minerai, en utilisant la ligne de faisceau d’absorption spectroscopique française (FAME) à l’installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, en France.

Nous avons utilisé un autoclave spécialement conçu (une marmite géologique) pour créer des températures allant jusqu’à 600°C et des pressions allant jusqu’à 200 MPa, ce qui correspond à des profondeurs d’environ 7 km dans la croûte terrestre.

Au synchrotron ESRF, un canon à rayons X géant 100 milliards de fois plus puissant qu’un appareil à rayons X d’hôpital, nous pouvons examiner la composition et la structure moléculaire des liquides et des substances dissoutes à l’intérieur du récipient de cuisson. Hades Safe Ticket présenté par X-ray Vision !

Plus précisément, nous avons étudié comment les éléments de terres rares se lient au chlore, au fluor, à l’hydroxyde ou aux carbonates dans les liquides à des pressions et des températures élevées. Les interactions entre les éléments de terres rares et les « liaisons » sont responsables de la solubilité des métaux des terres rares.

Nouvelles méthodes d’extraction des éléments de terres rares

Les résultats étaient inattendus. Tout d’abord, nous avons découvert que les liquides riches en carbonates peuvent transporter de grandes quantités d’éléments de terres rares. Deuxièmement, l’ajout de fluor a eu peu d’effet sur la capacité du fluide à transporter des éléments de terres rares.

Cela signifie que les liquides chauds riches en carbonates peuvent transporter des éléments de terres rares et du fluor ensemble – de sorte que des minerais communs comme la basnite (qui sont constitués d’éléments de terres rares, de carbonate et de fluor) peuvent précipiter hors du liquide lorsqu’il se refroidit.

Nos expériences montrent également que les liquides riches en carbonates vont concentrer plus de terres rares légères (comme le lanthane) ou lourdes (comme le gadolinium et l’ytterbium) à différentes températures. Ceci est important pour déterminer la valeur économique des minerais, car certains éléments de terres rares sont plus chers que d’autres.

Il est important de noter que les coûts économiques et environnementaux de l’extraction des éléments de terres rares sont fortement influencés par la difficulté de séparer les différents éléments. De nombreux minerais contiennent également des éléments radioactifs tels que l’uranium et le thorium, qui doivent être manipulés.

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Nos résultats révèlent une nouvelle voie pour le traitement des ETR : l’utilisation de solutions de carbonate respectueuses de l’environnement pour filtrer les ETR du minerai à des températures élevées.

De cette manière, nous pourrons peut-être rétroconcevoir un processus de formation de minerai pour extraire les minéraux nécessaires pour soutenir la transition mondiale vers une économie neutre en carbone.