ธรณีวิทยาของธาตุหายาก

เนื้อหา

• ธาตุดินหายากไม่ใช่ "หายาก"
• ความเข้มข้นของธาตุหายากในโลก
• Alkaline Igneous Rocks and Magmas
• การจำแนกประเภทแร่หายากของโลก
• แร่เงินโลกที่หายาก
• เงินฝากที่หายากของโลกที่เหลือ
• ธาตุดินหายากใน Pegmatites
• ประเภทฝากเงินโลกที่หายากอื่น ๆ
• การแปรรูปแร่เพื่อความท้าทาย
• การแปรรูปแร่เชิงซ้อน

แผนที่ธาตุหายาก: เขตธาตุดินที่หายากในสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่ตั้งอยู่ทางตะวันตก แผนที่นี้แสดงที่ตั้งของสถานที่ผลิตที่มีศักยภาพ - ขยายแผนที่เพื่อดูสถานที่ตั้งทั้งหมด

ธาตุดินหายากไม่ใช่ "หายาก"

ลักษณะทางธรณีวิทยาหลายประการของการเกิดขึ้นตามธรรมชาติของธาตุหายากมีอิทธิพลอย่างมากต่อการจัดหาวัตถุดิบธาตุหายาก ปัจจัยทางธรณีวิทยาเหล่านี้ถูกนำเสนอในรูปของข้อเท็จจริงตามด้วยการอภิปรายอย่างละเอียด

ความเข้มข้นเฉลี่ยโดยประมาณขององค์ประกอบธาตุหายากในเปลือกโลกซึ่งอยู่ในช่วงประมาณ 150 ถึง 220 ส่วนต่อล้าน (ตารางที่ 1) สูงกว่าโลหะอื่น ๆ จำนวนมากที่ขุดในระดับอุตสาหกรรมเช่นทองแดง (55 ส่วนต่อ ล้าน) และสังกะสี (70 ส่วนต่อล้าน) ซึ่งแตกต่างจากฐานการขุดเชิงพาณิชย์และโลหะมีค่าส่วนใหญ่อย่างไรก็ตามธาตุหายากในดินจะไม่ค่อยกระจุกตัวอยู่ในแหล่งแร่ที่ขุดได้

ความเข้มข้นของธาตุหายากในโลก

ความเข้มข้นหลักของธาตุหายากมีความสัมพันธ์กับหินอัคนีพันธุ์ต่าง ๆ เช่นหินอัลคาไลน์และคาร์บอเนต ความเข้มข้นที่เป็นประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้นได้ของแร่แบริ่ง REE ยังพบได้ในแหล่งสะสมของแร่ที่เหลือจากการผุกร่อนของหินอัคนีลึก pegmatites เงินฝากทองคำทองแดงออกไซด์ของเหล็กและฟอสเฟตทางทะเล (ตารางที่ 2)

ตารางที่ 1. การประเมินความอุดมสมบูรณ์ของเปลือกโลกของธาตุหายาก

Alkaline Igneous Rocks and Magmas

หินอัคนีอัลคาไลน์ก่อตัวจากความเย็นของแมกมาซึ่งได้มาจากการละลายของหินบางส่วนในเนื้อโลก การก่อตัวของหินอัลคาไลน์มีความซับซ้อนและไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ แต่สามารถคิดได้ว่าเป็นกระบวนการทางธรณีวิทยาที่แยกและมุ่งเน้นองค์ประกอบเหล่านั้นที่ไม่เหมาะสมกับโครงสร้างของแร่ธาตุที่ก่อตัวเป็นหินร่วมกัน

อัลคาไลน์แมกมาที่เกิดขึ้นนั้นหายากและอุดมไปด้วยธาตุต่าง ๆ เช่นเซอร์โคเนียมไนโอเบียมสตรอนเทียมแบเรียมลิเธียมและธาตุดินหายาก เมื่อแมกมาสเหล่านี้ขึ้นสู่ชั้นเปลือกโลกองค์ประกอบทางเคมีของมันจะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงของความดันอุณหภูมิและองค์ประกอบของหินที่อยู่รอบ ๆ ผลที่ได้คือความหลากหลายที่น่าประหลาดใจของหินประเภทต่าง ๆ ซึ่งได้รับการตกแต่งอย่างหลากหลายในองค์ประกอบทางเศรษฐกิจรวมถึงธาตุดินที่หายาก เงินฝากแร่ที่เกี่ยวข้องกับหินเหล่านี้มีความหลากหลายและค่อนข้างงุ่มง่ามในการจำแนกซึ่งลักษณะที่โดดเด่นของเงินฝากเหล่านี้และความหายากของพวกเขาสามารถส่งผลให้การจำแนกประเภทที่มีเพียงหนึ่งหรือไม่กี่ตัวอย่างที่รู้จักกัน

แผนที่ธรณีวิทยาแร่ธาตุหายาก: แผนที่ทางธรณีวิทยาทั่วไปของส่วนใหญ่ของเทือกเขา Pass Road ธาตุดินที่หายากทางตอนใต้ของรัฐแคลิฟอร์เนีย มีเพียงผู้ถือหุ้นส่วนน้อยของเขื่อน shonkinite, syenite และ carbonatite เขื่อนแอนทิไซด์และไรโอไลต์ที่กระจายออกไปอย่างกว้างขวางของ Mesozoic หรือยุคอุดมศึกษาไม่แสดงให้เห็น จาก USGS Open-File Report 2005-1219 ขยายแผนที่

การจำแนกประเภทแร่หายากของโลก

การจำแนกประเภทของแร่ที่เกี่ยวข้องกับหินอัลคาไลน์ก็เป็นที่ถกเถียงกันเช่นกัน ตารางที่ 2 นำเสนอการจำแนกที่ค่อนข้างง่ายซึ่งตามหมวดหมู่ที่คล้ายคลึงกันสำหรับเงินฝากที่เกี่ยวข้องกับหินอัคนี nonalkaline หินอัลคาไลน์ที่ผิดปกติบางอย่างที่เป็นเจ้าภาพหรือเกี่ยวข้องกับแร่ REE คือ carbonatite และ phoscorite หินอัคนีที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอเนตและฟอสเฟตตามลำดับ Carbonatites และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง phoscorites ค่อนข้างแปลกเพราะมีเพียง 527 รู้จัก carbonatites ในโลก (Woolley และ Kjarsgaard, 2551) ความเข้มข้นทางเศรษฐกิจของแร่แบริ่ง REE เกิดขึ้นในหินอัลคาไลน์, skarns และเงินฝากทดแทนคาร์บอเนตที่เกี่ยวข้องกับการบุกรุกแบบอัลคาไลน์, หลอดเลือดดำและเขื่อนกั้นตัดคอมเพล็กซ์หินอัคนีอัลคาไลน์และหินล้อมรอบและดิน

REE ตารางธาตุ: ธาตุหายากของโลกเป็นองค์ประกอบซีรีย์ lanthanide 15 องค์ประกอบรวมถึง yttrium Scandium พบได้ในธาตุดินที่หายากมากที่สุดและบางครั้งก็จัดว่าเป็นธาตุดินที่หายาก ภาพโดย

แร่เงินโลกที่หายาก

การผุกร่อนของหินทุกประเภททำให้เกิดตะกอนที่สะสมอยู่ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลายเช่นลำธารและแม่น้ำ, ชายฝั่ง, แฟนลุ่มน้ำลุ่มน้ำและสันดอน กระบวนการของการกัดเซาะจะมุ่งเน้นไปที่แร่ธาตุที่มีความหนาแน่นมากที่สุดโดยเฉพาะทองคำที่เรียกว่า placers ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของผลิตภัณฑ์การกัดเซาะแร่ธาตุที่มีธาตุหายากบางชนิดเช่น monazite และ xenotime สามารถรวมกับแร่ธาตุหนักอื่น ๆ ได้

แหล่งที่มาไม่จำเป็นต้องเป็นหินอัคนีอัลคาไลน์หรือแหล่งแร่หายากที่เกี่ยวข้อง หินอัคนีหินแปรและหินตะกอนที่มีอายุมากกว่าจำนวนมากมีโมนาไซท์มากพอที่จะสร้างโมนาไซท์ที่มีลูกปืน เป็นผลให้พบว่า monazite มักจะอยู่ในการวางมัดจำใด ๆ อย่างไรก็ตามประเภทของ placers ที่มีความเข้มข้นมากที่สุดของ monazite โดยทั่วไปจะเป็น placers แร่ ilmenite - หนักซึ่งได้รับการขุดสำหรับเม็ดสีไทเทเนียมออกไซด์และ pliterers Cassiterite ซึ่งจะขุดเพื่อดีบุก

Iron Hill Earth Rare Deposit: หันหน้าไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือของ Iron Hill, Gunnison County, Colorado Iron Hill เกิดขึ้นจากสต็อก carbonatite ขนาดใหญ่ที่ก่อตัวเป็นจุดศูนย์กลางของสารประกอบเชิงซ้อนที่เป็นด่าง คอมเพล็กซ์แห่งนี้มีทรัพยากรแร่มากมายรวมถึงไททาเนียมไนโอเบียมธาตุหายากและทอเรียม รูปภาพ USGS

เงินฝากที่หายากของโลกที่เหลือ

ในสภาพแวดล้อมเขตร้อนหินจะผุกร่อนอย่างลึกล้ำเพื่อสร้างรูปแบบของดินที่เป็นเอกลักษณ์ประกอบด้วยศิลาแลงดินที่อุดมด้วยเหล็กและอลูมิเนียมซึ่งมีความหนาหลายสิบเมตร กระบวนการของการก่อตัวของดินมักจะรวมแร่ธาตุหนักเป็นสารตกค้างทำให้เกิดชั้นโลหะที่ได้รับการเสริมสมรรถนะให้กับพื้นหินที่ไม่ได้ถูกบดบัง

เมื่อการสะสมของธาตุหายากผ่านสภาพดินฟ้าอากาศเช่นนั้นมันอาจจะถูกเสริมสมรรถนะด้วยธาตุหายากในระดับความเข้มข้นของผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ การสะสมของ REE ชนิดหนึ่งซึ่งเป็นประเภทการดูดซับไอออนเกิดขึ้นจากการชะล้างธาตุดินที่หายากจากหินอัคนีทั่วไปที่ดูเหมือนจะเกิดขึ้นและตรึงองค์ประกอบลงบนดินในดิน เงินฝากเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันเฉพาะในภาคใต้ของจีนและคาซัคสถานและการก่อตัวของพวกเขาเป็นที่เข้าใจกันไม่ดี

ธาตุดินหายากใน Pegmatites

ในบรรดาเพกมาไทต์กลุ่มของหินอัคนีที่มีเนื้อหยาบมากซึ่งเป็นกลุ่มตระกูลไนโอเบียม - อิตเทรียม - ฟลูออรีนประกอบด้วยชนิดย่อยจำนวนมากที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางธรณีวิทยาที่แตกต่างกัน ชนิดย่อยเหล่านี้เป็นหินแกรนิตในองค์ประกอบและมักจะพบอุปกรณ์ต่อพ่วงกับการบุกรุกขนาดใหญ่ของหินแกรนิต อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้ว pegmatites ที่มีธาตุหายากนั้นโดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กและมีความสนใจทางเศรษฐกิจเฉพาะกับนักสะสมแร่

ประเภทฝากเงินโลกที่หายากอื่น ๆ

การสะสมของทองแดง - ทองทองแดงเหล็กออกไซด์ได้รับการยอมรับว่าเป็นประเภทการฝากที่แตกต่างกันเฉพาะตั้งแต่การค้นพบการสะสมของโอลิมปิกยักษ์ในเซาท์ออสเตรเลียในปี 1980 การสะสมของเขื่อนโอลิมปิกนั้นผิดปกติเพราะมันประกอบด้วยธาตุหายากและยูเรเนียมจำนวนมาก ยังไม่พบวิธีการทางเศรษฐกิจในการกู้คืนธาตุหายากจากแหล่งสะสมเหล่านี้ เงินฝากประเภทอื่น ๆ จำนวนมากนี้ได้รับการระบุทั่วโลก แต่ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบของธาตุหายากของพวกเขาโดยทั่วไปจะขาด ปริมาณของธาตุดินที่หายากยังได้รับการระบุในแหล่งสะสมทดแทนของ magnetite-apatite

Karst bauxites ดินที่อุดมไปด้วยอลูมิเนียมที่สะสมอยู่ในหินปูนในถ้ำ (Karst Topography) ในมอนเตเนโกรและที่อื่น ๆ ได้รับการตกแต่งในธาตุดินที่หายาก แต่ความเข้มข้นที่เกิดขึ้นนั้นไม่ได้สนใจทางเศรษฐกิจ เช่นเดียวกันอาจกล่าวได้ว่าเป็นแหล่งสะสมฟอสเฟตทางทะเลซึ่งอาจมีออกไซด์ REE มากถึง 0.1 เปอร์เซ็นต์ (Altschuler และอื่น ๆ , 1966) เป็นผลให้มีการตรวจสอบการคืนสภาพธาตุหายากซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตปุ๋ยฟอสเฟต

การแปรรูปแร่เพื่อความท้าทาย

ในโลหะฝากและโลหะมีค่าหลายชนิดโลหะที่สกัดนั้นมีความเข้มข้นสูงในขั้นตอนแร่เดียวเช่นทองแดงใน chalcopyrite (CuFeS2) หรือสังกะสีใน sphalerite (ZnS) การแยกเฟสแร่ออกจากหินเป็นงานที่ค่อนข้างง่าย โดยทั่วไปผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูกส่งไปยังโรงหลอมสำหรับการสกัดขั้นสุดท้ายและการกลั่นโลหะ ตัวอย่างเช่นสังกะสีนั้นได้มาเกือบทั้งหมดมาจากแร่สไปเลอร์ไรท์เช่นอุตสาหกรรมถลุงสังกะสีและการกลั่นทั่วโลกได้พัฒนาวิธีการบำบัดพิเศษสำหรับแร่นี้ ดังนั้นการผลิตสังกะสีจึงมีความได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างเด่นชัดในการใช้เทคโนโลยีมาตรฐานเดียวและการพัฒนาเหมืองแร่สังกะสีใหม่เป็นกระบวนการที่ใช้กันทั่วไป

วิธีปฏิบัติในการแปรรูปแร่ในปัจจุบันสามารถแยกขั้นตอนแร่ต่าง ๆ ตามลำดับได้ แต่ก็ไม่คุ้มค่าที่จะทำ เมื่อพบองค์ประกอบที่น่าสนใจในสองขั้นตอนแร่ขึ้นไปแต่ละกระบวนการต้องการเทคโนโลยีการสกัดที่แตกต่างกันการประมวลผลแร่มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง องค์ประกอบของธาตุหายากหลาย ๆ แห่งนั้นประกอบด้วยสองช่วงหรือมากกว่า ดังนั้นธาตุดินหายากจึงมีความได้เปรียบในการแข่งขันจนถึงปัจจุบันการผลิต REE ส่วนใหญ่มาจากเงินฝากระยะเดียวเช่น Bayan Obo (bastnasite), Mountain Pass (bastnasite) และ placers แร่หนัก (monazite)

การแปรรูปแร่เชิงซ้อน

แร่ธาตุที่มีธาตุหายากซึ่งแยกจากกันจะมีองค์ประกอบของธาตุหายากมากถึง 14 ธาตุ (lanthanides และ yttrium) ที่ต้องแยกออกจากกันและทำให้บริสุทธิ์ ความซับซ้อนของการแยกและการกลั่นองค์ประกอบธาตุหายากนั้นแสดงให้เห็นได้จากแผ่นโลหะไหลสำหรับเหมือง Mountain Pass ในแคลิฟอร์เนีย (รูปที่ 2) ซึ่งแตกต่างจากโลหะซัลไฟด์ซึ่งเป็นสารประกอบทางเคมีที่ง่ายแร่แบริ่ง REE ค่อนข้างซับซ้อน แร่โลหะซัลไฟด์พื้นฐานเช่นสปาเลไรต์ (ZnS) มักจะถูกถลุงเพื่อเผาซัลเฟอร์และแยกสิ่งสกปรกออกจากโลหะหลอมเหลว โลหะที่ได้จะถูกทำให้บริสุทธิ์ด้วยอิเล็กโทรไลซิส ในทางกลับกันธาตุหายากจะถูกสกัดและผ่านกระบวนการทางเคมีนับสิบเพื่อแยกองค์ประกอบธาตุหายากที่แตกต่างกันและขจัดสิ่งสกปรกออก

สิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายที่สำคัญในแร่แบริ่ง REE คือทอเรียมซึ่งให้กัมมันตภาพรังสีที่ไม่ต้องการแก่แร่ เนื่องจากวัสดุกัมมันตรังสีนั้นยากต่อการขุดและจัดการอย่างปลอดภัยจึงมีการควบคุมอย่างเข้มงวด เมื่อมีการผลิตผลิตภัณฑ์กัมมันตภาพรังสีต้องใช้วิธีการกำจัดพิเศษ ค่าใช้จ่ายในการจัดการและกำจัดสารกัมมันตรังสีนั้นเป็นอุปสรรคอย่างยิ่งต่อการสกัดทางเศรษฐกิจของแร่ธาตุที่อุดมด้วยสารกัมมันตรังสีจาก REE ที่มีกัมมันตภาพรังสีมากขึ้น ในความเป็นจริงการบังคับใช้กฎระเบียบที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับการใช้แร่กัมมันตรังสีทำให้เกิด monazite หลายแหล่งจากตลาดธาตุหายากในช่วงปี 1980

โลหะวิทยาที่ซับซ้อนของธาตุหายากนั้นประกอบขึ้นด้วยความจริงที่ว่าไม่มีแร่สองรีที่เหมือนกันอย่างแท้จริง เป็นผลให้ไม่มีกระบวนการมาตรฐานในการสกัดแร่แบริ่ง REE และปรับให้เป็นสารประกอบหายากในตลาด ในการพัฒนาเหมืองแร่ธาตุหายากใหม่นั้นแร่จะต้องได้รับการทดสอบอย่างกว้างขวางโดยใช้วิธีการสกัดที่หลากหลายและลำดับขั้นตอนการประมวลผลที่ไม่เหมือนใคร เมื่อเปรียบเทียบกับเหมืองสังกะสีใหม่การพัฒนากระบวนการสำหรับธาตุหายากทำให้เสียเวลาและเงินมากขึ้น