Potentes rayos X revelan el nacimiento de depósitos gigantes de elementos de tierras raras, y pueden contener pistas para una minería sostenible

Hace más de diez años, el llamado «Crisis de tierras raras«subraya la fragilidad de las cadenas de suministro de estos metales, que son fundamentales para la transición a una economía neutra en carbono. Gran parte del suministro mundial de estos minerales proviene de un puñado de enormes depósitos, pero aún no sabemos lo suficiente sobre cómo estos depósitos llegaron a ser.» Poco se sabe.

A pesar del nombre, las tierras raras están relativamente distribuidas en la corteza terrestre en comparación con elementos como el oro y el platino. Sin embargo, los depósitos grandes y concentrados aptos para la minería son mucho más escasos.

Para comprender cómo se formaron estos depósitos, reconstruimos la temperatura, la presión y el entorno químico infernales que se producen a kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra, y utilizamos rayos X intensos para investigar el comportamiento de los elementos de tierras raras hasta el nivel molecular.

Descubrimos un proceso previamente desconocido Los elementos de tierras raras pueden combinarse con un químico común llamado carbonato en fluidos calientes a alta presión. Esto proporciona pistas sobre cómo se forman los depósitos de tierras raras y cómo podemos aplicar ingeniería inversa al proceso de extracción de estos metales raros de una manera más sostenible.

¿Qué se necesita para formar una mina gigante de tierras raras?

Los elementos de tierras raras son un grupo de 15 metales pesados ​​plateados y blandos que se encuentran en la parte inferior de la tabla periódica (desde el lantano hasta el lutecio). Otros dos elementos (escandio e itrio) también se incluyen con frecuencia en este grupo debido a su comportamiento químico similar.

Enormes depósitos de elementos de tierras raras hoy en día están asociados con tipos inusuales de lava llamada carbonatita y magma alcalino. Estos magmas no contienen mucho silicio (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno), pero contienen grandes cantidades de metales alcalinos (sodio y potasio), calcio y elementos volátiles como el carbono, el flúor o el fósforo.

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Todas las rocas que nos rodean contienen grandes cantidades de elementos de tierras raras, pero se concentran en estos extraños magmas a través de una cristalización lenta en la corteza terrestre. Por lo general, esto no es suficiente para formar un depósito que consta de millones de toneladas de roca con entre un 5% y un 50% de elementos de tierras raras en peso. Se requiere un segundo paso de concentración.

En depósitos gigantes como Bayan Obo en Mongolia Interior, los fluidos hidrotermales cargados de carbonato parecen sufrir este paso de enriquecimiento adicional. Pero exactamente cómo ha sido un misterio.

Un boleto de seguridad a Hades con visión de rayos X.

Creemos que los minerales de tierras raras se forman varios kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra. Hace millones de años, las altas temperaturas (200-800 °C) y las presiones (de cientos a miles de veces más altas que la presión atmosférica) transformaron concentraciones preexistentes de elementos de tierras raras en minerales valiosos.

Los geólogos no tienen forma de observar la mineralización, pero tratamos de hacer lo siguiente mejor.

Pudimos recrear y estudiar condiciones similares durante la formación del mineral usando la línea de luz de Espectroscopía de Absorción Francesa (FAME) en la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia.

Utilizamos autoclaves (cocinas geológicas) especialmente diseñadas para generar temperaturas de hasta 600°C y presiones de hasta 200 MPa, lo que corresponde a una profundidad de unos 7 kilómetros en la corteza terrestre.

En el sincrotrón ESRF, que en realidad es una pistola de rayos X gigante 100 mil millones de veces más potente que el equipo de rayos X de un hospital, podemos investigar la composición y la estructura molecular de los líquidos y las sustancias disueltas en las ollas. ¡Un boleto seguro al Hades de X-ray Vision!

Específicamente, exploramos cómo los elementos de tierras raras se unen al cloro, flúor, hidróxido o carbonato en fluidos de alta presión y alta temperatura. La reacción entre los elementos de tierras raras y estos llamados «ligandos» es responsable de la solubilidad de los minerales de tierras raras.

Nuevo método para extraer elementos de tierras raras

Los resultados fueron inesperados. Primero, descubrimos que los fluidos ricos en carbonato pueden transportar grandes cantidades de elementos de tierras raras. En segundo lugar, la adición de flúor tiene poco efecto sobre la capacidad del fluido para transportar elementos de tierras raras.

Esto significa que los fluidos térmicos ricos en carbonato pueden transportar tierras raras junto con flúor, por lo que minerales comunes como la bastnaesita (compuesta de tierras raras, carbonatos y flúor) se precipitarán del fluido a medida que se enfríe.

Nuestros experimentos también muestran que los fluidos ricos en carbonato concentran más tierras raras ligeras (como el lantano) o tierras raras pesadas (como el gadolinio y el iterbio) a diferentes temperaturas. Esto es importante para determinar el valor económico del mineral, ya que algunos elementos de tierras raras son más caros que otros.

Lo que es más importante, los costos económicos y ambientales de la minería de elementos de tierras raras están fuertemente influenciados por la dificultad de separar diferentes elementos. Muchos minerales también contienen elementos radiactivos como el uranio y el torio, que requieren procesamiento.

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Nuestros hallazgos revelan una nueva ruta para el procesamiento de elementos de tierras raras: la lixiviación de elementos de tierras raras de minerales a altas temperaturas utilizando una solución de carbonato ecológica.

De esta manera, podremos aplicar ingeniería inversa a los procesos de mineralización para extraer los metales necesarios para sostener la transición del mundo hacia una economía neutra en carbono.