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Gisement de terres rares en proche sous-sol

Les gisements de terres rares en proche sous-sol, ou gisements d'adsorption d'ions, ou encore gisements de terres rares des régolithes, sont des minerais d'éléments de terres rares (ETR) dans des roches décomposées, formées par l'altération intense des roches-mÚres riches en ETR comme, le granite, le tuf, etc. dans les régions subtropicales[2]. Dans ces zones, les roches sont intensément broyées et décomposées[3]. Ensuite, les ETR s'infiltrent vers le bas avec l'eau de pluie et se concentrent le long d'une couche altérée plus profonde sous la surface du sol[4].

Un aperçu de l'un des gisements d'éléments de terres rares des régolithes (un type de mine d'éléments de terres rares) dans le sud de la Chine[1]

La technologie d'extraction des gisements a évolué au cours des 50 derniÚres années. Auparavant, les ETR principalement étaient des sous-produits en petites quantités dans les mines d'autres métaux ou de sables granitiques sur la plage[3]. Cependant, au cours des derniÚres décennies, le développement des industries de haute technologie comme l'ingénierie aérospatiale ou les télécommunications a entraßné une forte demande d'ETR[5]. Par conséquent, les gisements d'éléments de terres rares dans les régolithes ont été découverts et les technologies d'extraction se sont rapidement développées depuis les années 1980[6].

Actuellement, la Chine domine plus de 95 % de la production mondiale d'ETR[7]. Les gisements d'éléments de terres rares dans les régolithes, qui contribuent à 35 % de la production chinoise d'ETR, se trouvent principalement dans le sud de la Chine[8].

RĂ©partition mondiale

RĂ©partition mondiale des gisements d'ÉTR dans des rĂ©golithes[1]

Les régolithes sont des dépÎts non consolidés de roches fragmentées et décomposées dont la composition habituelle inclut de la poussiÚre, de la terre, de la roche brisée et d'autres matériaux connexes. Ils sont la source de minéraux et de matériaux de construction et s'ils contiennent une part importante de matiÚre organique, on parle plutÎt de sols. La plupart des gisements de minéraux de terres rares dans les régolithes se trouvent dans le sud de la Chine, qui en domine actuellement la production mondiale avec plus de 95 % du marché[7]. Il existe deux grands types de gisements, à savoir les terres rares « légÚres » ((en) LREE) à savoir La, Ce, Pr et Nd et les terres rares « moyennes et lourdes » ((en) HREE), à savoir Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu.

Les deux types de gisements se trouvent principalement dans les provinces du Jiangxi, du Hunan, du Guangdong et du Fujian. Le gisement de Zudong dans le Jiangxi, les gisements de Datian et de Xiawentian produisent principalement les terres rares moyennes et lourdes du sud de la Chine. Alors que les terres rares légÚres sont puisées principalement dans les gisements de Heling et de Dingnan dans la province du Jiangxi[1].

Toutefois, l'exploration miniĂšre des terres rares se dĂ©roule activement Ă  travers le monde. Actuellement, certains gisements potentiels ont Ă©tĂ© dĂ©couverts aux États-Unis, en Asie du Sud-Est, au Malawi, au BrĂ©sil et Ă  Madagascar[9].

Aperçu géologique

Des gisements d'Ă©lĂ©ments de terres rares hĂ©bergĂ©s par des rĂ©golithes se trouvent le long des crĂȘtes des collines granitiques basses du sud de la Chine[10]. Le gisement de minerai peut ĂȘtre Ă©tabli en quatre couches en fonction de son degrĂ© d'altĂ©ration dont la plus infĂ©rieure du sol dĂ©gradĂ© contient les corps minĂ©ralisĂ©s[11] - [12] - [13] - [3] - [14].

GĂ©omorphologie

Paysage habituel dans le sud de la Chine : zones basses avec des collines basses à végétation dense[10]

Les caractéristiques des gisements du sud de la Chine (sud du Jiangxi, sud-ouest du Fujian, nord du Guangdong et nord-ouest du Guangxi notamment) sont déterminées par des facteurs à la fois régionaux et locaux[11].

Au niveau régional, les gisements sont généralement dans des zones à faible topographie, des collines basses à moins de 500 m d'altitude[10]. De plus, la zone subtropicale du sud de la Chine a un climat chaud et humide, ce qui fait que les dépÎts sont souvent densément végétalisés[1].

Localement, les dĂ©pĂŽts semblent se former plus le long des crĂȘtes que dans vallĂ©es. Une croĂ»te d'altĂ©ration plus Ă©paisse avec un corps minĂ©ralisĂ© associĂ© apparaissent le long des crĂȘtes tandis que son Ă©paisseur diminue vers la vallĂ©e ou dans la pente[15].

Profil minéralisé

L'ensemble de la croĂ»te d'altĂ©ration peut varier de 30 Ă  60 m d'Ă©paisseur[16] - [14], en fonction de ses conditions structurelles, gĂ©omorphologiques et hydrogĂ©ologiques locales. Le dĂ©pĂŽt est gĂ©nĂ©ralement divisĂ© en 4 couches selon l'intensitĂ© d'altĂ©ration. Une croĂ»te d'altĂ©ration de 25 m d'Ă©paisseur peut montrer un profil d'altĂ©ration comme ci-dessous :

Profil d'altération des gisements d'ETR dans le régollithe. (A) Couche humique. (B) Couche complÚtement altérée. (C) Couche fortement altérée. (D) Front d'altération. (E) Roche non altérée[1].
Profil d'altération du granite riche en ETR[11] - [12] - [13] - [3] - [14] - [17]
Couche distinctive Épaisseur (m) Lithologie Contenu ETR
(A) Couche humique 0–2 – Marron foncĂ©

– MatiĂšre organique et agrĂ©gation des grains du sol

Appauvri
(B) Couche complĂštement altĂ©rĂ©e 5–10

(parfois jusqu'Ă  40 m d'Ă©paisseur)

– Blanc jaunĂątre tachetĂ© et rouge orangĂ©

– 80 % de minĂ©raux argileux (c'est-Ă -dire kaolinite, halloysite, etc.)

– 20 % de minĂ©raux non altĂ©rĂ©s (c'est-Ă -dire quartz, micas, etc.)

– Aucune texture granitique relique prĂ©servĂ©e

ÉpuisĂ© en haut ;

Enrichi en bas

(C) Couche fortement altĂ©rĂ©e 2–3

(parfois jusqu'Ă  20 m d'Ă©paisseur)

– Blanc tachetĂ©, brun rosĂ©

– ≀ 30% de minĂ©raux argileux (c'est-Ă -dire kaolinite, sĂ©ricite, etc.)

– MinĂ©raux non altĂ©rĂ©s formant des roches (c'est-Ă -dire feldspath, biotite, quartz, etc.)

– Texture granitique relique prĂ©servĂ©e

ÉpuisĂ© en bas ;

Enrichi en haut

(D) Façade d'altĂ©ration 5–10 – Zone de transition avec socle rocheux non altĂ©rĂ©

– Noyaux abondants entourĂ©s de rĂ©golithe

Appauvri
(E) Roche non altĂ©rĂ©e / – Socle rocheux N/A

L'enrichissement en terres rares se produit gĂ©nĂ©ralement dans une zone de 5 Ă  10 mĂštres d'Ă©paisseur entre une couche complĂštement altĂ©rĂ©e et une couche fortement altĂ©rĂ©e[12] et il est ciblĂ© pour l'exploitation miniĂšre commerciale. ComparĂ©s Ă  d'autres gisements d'ETR, les gisements d'Ă©lĂ©ments de terres rares hĂ©bergĂ©s dans des rĂ©golithes sont de trĂšs faible teneur[3] (0,05 Ă  0,3 % en poids d'ETR extractibles[13]). NĂ©anmoins, en raison de sa mĂ©thode d'extraction facile, de ses faibles coĂ»ts de traitement et de sa grande abondance, les gisements sont rentables[18].

GenÚse du corps minéralisé

Roche-mÚre semi-altérée de gisement d'éléments de terres rares du régolithe - Granitoïde enrichi en ETR.

Voici quelques aspects clĂ©s des idĂ©es dans la genĂšse des gisements d'Ă©lĂ©ments de terres rares dans les rĂ©golithes. Le magma formant des dĂ©pĂŽts provient de magma granitique enrichi en ETR lĂ©gers ou lourds et il n'est pas nĂ©cessairement liĂ© Ă  des paramĂštres tectoniques ou Ă  des pĂ©riodes gĂ©ologiques particuliĂšres[1]. Ensuite, les ETR lĂ©gers ou lourds subissent un premier enrichissement par leur propre mĂ©canisme lorsque le magma se solidifie[19]. Une fois le granit ramenĂ© Ă  la surface du sol, il subit une dĂ©nudation et un dĂ©terrage intenses dans les zones subtropicales[20]. À ce stade, les ETR sont encore enrichis, ce qui rend la facilitĂ© Ă©conomique de l'exploitation miniĂšre[20]. Ces processus sont dĂ©crits en dĂ©tail ci-dessous :

Origines magmatiques

En termes de paramÚtres tectoniques, aucune tendance évidente dans ce cadre favorisant la formation de dépÎts d'éléments de terres rares hébergés dans des régolithes n'est observée[1]. Les géologues croyaient depuis longtemps que parmi les différentes sources de magma, ceux d'origine des environnements anorogéniques (configuration non montagneuse) et anhydres (par exemple, aux limites de plaques divergentes), qui forment par conséquent des granites de type A, sont enrichis en ETR[21]. En effet, un degré de fusion partielle plus bas dans ce cadre tectonique favorise l'enrichissement des éléments de terres rares, qui sont incompatibles et ont tendance à fondre en premier. Cependant, d'aprÚs les observations sur le terrain, le granite de type A n'est pas spécialement enrichi en ETR (en pourcentage), il est similaire aux granites de type I (provenant du magma de roches ignées partiellement fondues) et des granites de type S (provenant du magma de roches sédimentaires partiellement fondues), originaires de milieux orogéniques (montagnes en formation) qui se trouvent par exemple au bord de plaques convergentes[1].

Par rapport aux temps géologiques, ces granites enrichis en terres rares se sont formés uniformément sur une large période géologique (c'est-à-dire de l'Ordovicien au Crétacé)[22], dans tous les environnements et donc sans liens avec des événements géologiques majeurs[1].

Processus magmatiques-hydrothermaux

En général, les roches à l'origine des gisements d'éléments de terres rares dans le régolithe sont des roches ignées felsiques (comme le granite, le rhyolite, le tuf rhyolitique, etc.), associées au magmatisme granitique et au volcanisme dans le phénomÚne de subduction[23]. Lors de la cristallisation du magma, les éléments légers et lourds des terres rares sont enrichis majoritairement en granitoïdes par deux mécanismes distincts[19].

  • Diagramme Ă©volutif montrant la premiĂšre Ă©tape du processus d'enrichissement en terres rares lĂ©gĂšres par diffĂ©renciation du magma[1].
    Les granitoĂŻdes enrichis en Ă©lĂ©ments lĂ©gers des terres rares sont formĂ©s par la diffĂ©renciation du magma, qui fractionne progressivement la composition du magma en couches chimiquement distinctes au cours de son processus de refroidissement[1]. Comme les ETR sont des Ă©lĂ©ments incompatibles (moins enclin Ă  ĂȘtre incorporĂ©s dans la structure des cristaux de solidification), ils restent sous forme fondue dans la chambre magmatique jusqu'Ă  la derniĂšre Ă©tape de refroidissement. Par consĂ©quent, la derniĂšre et la plus haute fraction de granitoĂŻde est fortement enrichie en ETR[1].
Schéma évolutif montrant la premiÚre étape du processus d'enrichissement en HREE par auto-métasomatisme[1].
  1. Les granitoïdes enrichis en éléments de terres rares lourds se forment par auto-métasomatose. Il s'agit d'un processus d' altérations chimiques du magma felsique récemment cristallisé par le fluide hydrothermal restant (par exemple l'eau, le CO2) au stade ultérieur de la cristallisation du magma[19]. Au cours de l'altération chimique, par diverses réactions chimiques avec les fluides hydrothermaux, les éléments de terres rares lourds sont ensuite introduits dans les minéraux secondaires le long des veinules[19].

Processus secondaires

Le processus secondaire (c'est-Ă -dire l'altĂ©ration) est essentiel Ă  l'enrichissement ultĂ©rieur des granitoĂŻdes riches en Ă©lĂ©ments de terres rares lĂ©gers et lourds. Il transforme le granitoĂŻde en un corps minĂ©ralisĂ© rentable Ă  extraire. Par consĂ©quent, le climat chaud et humide, associĂ© Ă  un sol lĂ©gĂšrement acide dans les zones subtropicales, favorise la formation de gisements. Une combinaison d'altĂ©rations chimiques, physiques et microbiologiques intenses[13] permet l'Ă©limination des ETR dans la couche supĂ©rieure, plus acide, complĂštement altĂ©rĂ©e, puis la migration vers le bas avec l'eau de pluie et, Ă©ventuellement, le dĂ©pĂŽt (et la concentration) dans la couche infĂ©rieure, moins acide et modĂ©rĂ©ment altĂ©rĂ©e[16] - [24] - [25] - [26] — Les terres rares forment un complexe plus stable dans le sol de pH plus Ă©levĂ© —[20].

De plus, une altération intense dans les zones subtropicales (donc de Chine méridionale) lessive en continu un volume important de matériaux sus-jacents du systÚme d'altération in situ, processus appelé dénudation[1]. En réponse à l'enlÚvement de masse, l'exhumation (un processus de soulÚvement isostatique par lequel la roche profonde est amenée à la surface du sol) se produit et, par conséquent, reconstitue les matériaux pour la dénudation en cours[16] - [27]. Ainsi, le systÚme d'équilibre dynamique entre la dénudation et l'exhumation incite au développement d'un profil d'altération plus épais ainsi que l'accumulation d'ETR[1].

L'eau de pluie abondante provoque une infiltration et un lessivage rapides des ETR vers les couches B et C (Figure t1). De plus, les processus secondaires (c'est-à-dire l'altération et l'érosion) éliminent les couches supérieures de matériaux (Figure t2). En réponse à l'élimination continue de la masse continentale sus-jacente, un processus de soulÚvement isostatique (exhumation) se produit en continu[16] - [27] (Figure t3). Ainsi, le systÚme d'équilibre dynamique entre la dénudation et l'exhumation facilite davantage l'accumulation des terres rares[1] (Figure t4).

Phases d'occurrence

Les minerais dans les gisements d'éléments de terres rares dans les régolithes n'existent pas sous forme d'ions libres. Au lieu de cela, ils adhÚrent physiquement aux minéraux argileux sous forme de complexe argile-ETR ou se lient chimiquement avec des minéraux en hébergeant[28].

Argile-ETR

La phase Ă©changeable d'argile-ETR reprĂ©sente 60 Ă  90 % de la teneur totale en ETR des gisements. Dans cette phase, les ETR se prĂ©sentent sous forme de cations mobiles (ETR3+), cations hydratĂ©s ([ETR(H2O)n]3+ ou une partie de complexes chargĂ©s positivement[29], qui sont adsorbĂ©s (physiquement collĂ©s par une faible attraction Ă©lectrostatique) aux sites de charge nĂ©gative permanente sur les minĂ©raux argileux[28] (par exemple kaolinite, halloysite, illite, etc.). Ainsi, les ETR peuvent ĂȘtre rĂ©cupĂ©rĂ©s et extraits facilement par lixiviation par Ă©change d'ions avec un Ă©lectrolyte diluĂ©[30].

Minéraux hébergeant des ETR

Les minéraux hébergeant des éléments de terres rares (phases minérales) représentent 10 à 30 % de la teneur en ETR des gisements[29]. Les ETR sont incorporés dans des minéraux accessoires[3] à savoir la BastnÀsite (ETR)(CO3)F, la Monazite (ETR)PO4 et le Xénotime (Y,ETR)PO4) en tant que partie du réseau cristallin[31]. Comme les ETR sont retenus par des liaisons chimiques, une cuisson alcaline ou une lixiviation acide est nécessaire pour décomposer et extraire les ETR[29].

Techniques d'extraction

La lixiviation chimique est utilisée pour extraire les ETR dans les régolithes. En injectant un lixiviant dans un corps minéralisé, les ETR adhérant aux minéraux argileux sont déplacés par les ions de la solution et se dissolvent dans la solution de lixiviation, qui s'écoule vers le bas le long du corps minéralisé[32]. L'équation qui suit montre un exemple de réaction d'échange d'ions entre un minéral argileux imprégné d'ETR et un sulfate métallique, servant de lixifiant[32].

2 Argile - ETR + 3M2SO4⟶ 2 Argile - M3+ ETR2(SO4)3[32]

Depuis la découverte des gisements d'éléments de terres rares dans le proche-sous-sol dans les années 1960, la procédure de lixiviation a connu trois générations successives de technologie[33], l'évolution de l'utilisation de la solution de lixiviation et des techniques de lixiviation :

Technologie de lixiviation de premiÚre génération

Au début des années 1970, une lixiviation discontinue à l'aide d'une solution de chlorure de sodium (NaCl) a été réalisée dans l'extraction des terres rares. Tout d'abord, les minerais de terres rares ont été extraits et tamisés par une excavation à ciel ouvert. Ensuite, ils ont été lessivés dans des fûts avec une solution de NaCl ~1M et précipités avec de l'acide oxalique (C2H2O4)[24].

Cependant, l'Ă©chelle miniĂšre Ă©tait trĂšs limitĂ©e en raison de la lixiviation par lots (ou la lixiviation par bain Ă  la fin des annĂ©es 1970, utilisant des bassins en bĂ©ton au lieu d'un baril) tandis qu'une concentration Ă©levĂ©e de lixiviant ne pouvait produire qu'un produit Ă  faible rendement avec une qualitĂ© de produit mĂ©diocre (<70 % de ETR en concentration)[24]. Ces inconvĂ©nients ont rĂ©duit l'intĂ©rĂȘt donnĂ©s par les avantages initiaux de ce type de dĂ©pĂŽts (c'est-Ă -dire un temps de traitement court et des coĂ»ts extrĂȘmement bas)[24].

Technologie de lixiviation de deuxiÚme génération

Dans les années 1980, la lixiviation discontinue et en tas utilisant une solution de sulfate d'ammonium ~ 0,3 M ((NH4)2SO4) a été développée. Le sol contenant des ETR était extrait des corps minéralisés et empilé sur une couche plate étanche avec une coupelle de collecte au fond. Une solution de (NH4)2SO4 a ensuite été injectée au-dessus du sol et laissée pour la lixiviation. AprÚs 100 à 320 heures, le résultat d'une pureté allant jusqu'à 90 %[24] est collecté pour le traitement final[34].

En raison de la plus forte capacité de désorption de NH4+ par rapport à Na+[13], cette technologie a amélioré la qualité du produit final et permis une réduction de consommation de lixiviant. Par conséquent, il est utilisé comme modÚle principal du processus de lixiviation des terres rares au cours des 30 années suivantes[24].

Le lixiviant (solution de lixiviation) est injecté à travers des tuyaux en plastique, qui sont insérés dans un trou de lixiviation.

Méthodes miniÚres modernes (troisiÚme génération)

Depuis les années 1990, l'utilisation intensive de la lixiviation par lots et en tas a eu un effet dévastateur et irréversible sur l'environnement ainsi que sur l'écosystÚme du sud de la Chine. les rejets non réglementée des déchets a aussi également causé des problÚmes de santé aux habitants voisins des mines[34]. Ainsi, une technologie de lixiviation In situ obligatoire a été décrétée en 2011 pour contrer les effets néfastes des techniques d'extraction[35].

La technologie de lixiviation in situ nĂ©cessite une Ă©tude complĂšte de la structure hydrogĂ©ologique locale, du type de brisures de la roche-mĂšre (diaclases) et des caractĂ©ristiques du minerai, pour la mise en place d'une zone de captage dans le processus de lixiviation. Puis, des trous de lixiviation verticaux (0,8 m de diamĂštre et espacĂ©s de 2 Ă  3 m)[13]> sont forĂ©s pour atteindre le sommet de la couche enrichie en ETR (B) (1,5 Ă  3 m de profondeur) pour permettre l'injection de lixiviant sous pression (c'est-Ă -dire ~0,3 M (NH4)2SO4). Enfin, la solution de lixiviation chargĂ©e en ETR est collectĂ©e par des bassins de rĂ©cupĂ©ration au fond du corps minĂ©ralisĂ© pour le traitement final[13].

Recherche et développement en cours (biolixiviation)

La recherche scientifique pour dĂ©velopper d'autres techniques et augmenter le rendement de lixiviation des terres rares est trĂšs active[36]. La biolixiviation, une technique oĂč les ETR sont solubilisĂ©s par des activitĂ©s microbiennes ou des sous-produits du mĂ©tabolisme microbien, est une piste prometteuse pour une alternative plus verte Ă  la mĂ©thode actuelle, qui produit une pollution importante dans l'environnement[37]. En termes d'efficacitĂ© d'extraction, certaines Ă©tudes ont rapportĂ© que la rĂ©cupĂ©ration des ETR par biolixiviation pouvait varier de moins de 1 % Ă  prĂšs de 90 %[37]. Ainsi, une meilleure comprĂ©hension du mĂ©canisme de biolixiviation est nĂ©cessaire avant sa mise en pratique commerciale[36].

Applications des éléments de terres rares

Un Ă©chantillon de NĂ©odyme.

Les Ă©lĂ©ments de terres rares extraits des rĂ©golithes, sont les Ă©lĂ©ments fondamentaux de nombreux produits de haute technologie de la vie quotidienne[5]. À savoir :

Le nĂ©odyme est utilisĂ© dans la production d'aimants puissants des haut-parleurs et le matĂ©riel informatique, pour sa plus petite taille pour le mĂȘme niveau de performances. De plus, avec sa remarquable durabilitĂ©, l'utilsation de nĂ©odyme est gĂ©nĂ©ralisĂ©e pour les Ă©oliennes et les vĂ©hicules hybrides[38].

Le métal praséodyme a une résistance et un point de fusion ultra-élevés, c'est donc un composant important des moteurs à réaction. Le praséodyme est un composant du type de verre particulier nécessaire pour les visiÚres de protection des soudeurs et des verriers[39].

Le scandium est utilisé dans la construction aérospatiale, pour la structure des avions et des engins spatiaux afin d'en augmenter la résistance. Il est également utilisé dans les lampadaires à haute intensité[38].

Le cérium est utilisé dans les pots catalytiques des véhicules thermiques en raison de sa grande stabilité chimique à haute température. Mais son usage principal provient du fait qu'il est responsable des réactions chimiques dans le pot[38].

Les composés de gadolinium sont les composants actifs de divers agents de contraste IRM.

Voir Ă©galement

Références

Notes

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