Características de los elementos de tierras raras

Los elementos de tierras raras (REE) incluyen los 15 elementos lantánidos de la tabla periódica, desde el lantano (La) hasta el lutecio (Lu), y también incluyen correctamente los metales de transición escandio (Sc) e itrio (Y). Los REE se clasifican como metales y son relativamente blandos, dúctiles y maleables. La mayoría tienen un brillo gris plateado y se oxidan rápidamente en el aire para formar composiciones de óxido (REE)₂O₃. La forma iónica trivalente normal y la disminución gradual del radio iónico de los lantánidos (La a Lu) e Y (Tabla 1) dan lugar a propiedades geoquímicas similares y asociaciones comunes en la naturaleza. Aunque el Sc también comparte la forma iónica trivalente, el tamaño iónico mucho más pequeño da como resultado un comportamiento geoquímico que difiere de los otros REE y se asocia más a menudo con elementos metálicos como el cromo (Cr), el cobalto (Co) y el níquel (Ni). El lantánido prometio (Pm) es el único elemento radiactivo de la serie, es extremadamente raro en la naturaleza y se produce principalmente sintéticamente como subproducto de la fisión del uranio.

Los REE se subdividen comúnmente en REE ligeros (LREE), que incluyen La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu y Gd, y REE pesados (HREE), que incluyen Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu e Y (Tabla 1). Aunque es una designación algo arbitraria, los LREE tienen un radio iónico relativamente grande similar al del calcio (Ca²⁺=1.12 Angstrom) y torio (Th⁴⁺= 1.05 Angstrom), mientras que los HREE generalmente tienen un radio iónico más pequeño similar al uranio (U⁴⁺=1.0 Angstrom) y manganeso (Mn²⁺=0.96 Angstrom) (Shannon, 1976). Por lo tanto, la gama de tamaños iónicos permite la sustitución en más de 200 minerales formadores de rocas, especialmente fosfatos y carbonatos. Los minerales que contienen REE a menudo muestran un enriquecimiento selectivo en LREE o HREE dependiendo de la composición original y la estructura cristalina del compuesto mineral, las condiciones geológicas en las que se formó el mineral y una variedad de mecanismos complejos de intercambio iónico.

Elemento de tierras raras1	Número atómico	Peso atómico	Radio iónico2 (Angstrom, CN8)	Abundancia de la corteza3 (ppm)	Densidad (g/cm3)	Punto de fusión (F)	Dureza (Mohs)	Conductividad (W/m-1K-1)
Lantano (La)	57	138 . 905	1 . 160	31	6 . 15	1688	2 . 5	13 . 4
Cerio (Ce)	58	140 . 116	1 . 143	63	6 . 77	1463	2 . 5	11 . 3
Praseodimio (Pr)	59	140 . 908	1 . 126	7 . 1	6 . 77	1715	1 . 41	12 . 5
Neodimio (Nd)	60	144 . 242	1 . 109	27	7 . 01	1875	1 . 23	16 . 5
Prometio (Pm)	61	145	1 . 093	-	7 . 26	1908	-	17 . 9
Samario (Sm)	62	150 . 36	1 . 079	4 . 7	7 . 52	1962	1 . 44	13 . 3
Europio (UE)	63	151 . 964	1 . 066	1 . 0	5 . 24	1519	3 . 07	13 . 9
Gadolinio (Gd)	64	157 . 25	1 . 053	4 . 0	7 . 90	2394	5 . 13	10 . 6
Terbio (Tb)	65	158 . 925	1 . 040	0 . 7	8 . 23	2473	2 . 33	11 . 1
Disprosio (Dy)	66	162 . 500	1 . 027	3 . 9	8 . 55	2565	1 . 8	10 . 7
Holmio (Ho)	67	164 . 930	1 . 015	0 . 83	8 . 79	2662	1 . 65	16 . 2
Erbio (Er)	68	167 . 259	1 . 004	2 . 3	9 . 07	2784	1 . 97	14 . 5
Tulio (Tm)	69	168 . 934	0 . 994	0 . 30	9 . 32	2813	1 . 77	16 . 9
Iterbio (Yb)	70	173 . 045	0 . 985	1 . 96	6 . 90	1515	N/A	38 . 5
Lutecio (Lu)	71	174 . 967	0 . 977	0 . 31	9 . 84	3006	2 . 6	16 . 4
Escandio (Sc)	21	44 . 956	0 . 870	14 . 0	2 . 99	2806	N/A	15 . 8
Itrio (Y)	39	88 . 906	1 . 019	21	4 . 47	2779	N/A	17 . 2

Tabla 1: Propiedades básicas de los elementos de tierras raras (REE)

1. LREE comúnmente incluye La a Gd, HREE incluye Tb a Lu, Sc, Y.
2. Radio iónico trivalente en Angstroms (Shannon, 1976); CN8 = número de coordinación VIII.
3. Rudnick y Gao, 2003

De los más de 200 minerales que contienen REE en cantidades mínimas o mayores, solo unos pocos contienen enriquecimientos que tienen el potencial de formar depósitos de mineral económicos. Los minerales importantes de mineral de REE se enumeran en la Tabla 2 con la fórmula química comúnmente aceptada y el contenido teórico de óxido de REE. La composición específica de REE puede variar. Se han observado ocurrencias de todos estos minerales en Virginia.

Nombre del mineral	Fórmula química	Gravedad específica g/cm3	1Teórico (REE)2O3 %
Bastnaesite	(Ce, La)(CO3)F	4 . 98	74 . 81
Monacita	(Ce, La, Nd, Th)PO4	5.04-5.15	69 . 73
Xenotiempo	YPO4	3.14-4.27	61 . 40
Parisite	Ca(Ce,La)2(CO3)3F2	4 . 34	60 . 89
Ancylite	CeSr(CO3)2(OH)▪H2O	3 . 95	47 . 98
Florencia	CeAl3(PO4)2(OH)6	3 . 58	31 . 99
Euxenita	(Y, Ca, Ce, U, Th)(Nota, Ta, Ti)2O6	5.3-5.9	25 . 77
Fergusonita	(Nd,Ce)(Nota, Ti)O4	4.5-5.7	18 . 86
Apatita	Ca5(PO4)3(OH)(F,Cl)	3.16-3.22	variable hasta ~19
Alanita	(Ce, Ca, Y)2(Al, Fe3+)3(SiO4)3(OH)	3.5-4.2	variable hasta ~17

Cuadro 2: Minerales económicos que contienen tierras raras

1. Mariano, 1989.

Usos de los elementos de tierras raras

En 1787 un geólogo aficionado encontró un mineral de aspecto extraño en una cantera sueca. El mineral, la gadolinita, contenía el primer elemento de tierras raras identificado, el itrio. A lo largo de las siguientes décadas, se descubrieron los otros REE. Hoy en día, los REE se consideran "minerales críticos" en aplicaciones metalúrgicas domésticas que sirven a las tecnologías aeroespaciales, de defensa, energéticas, de telecomunicaciones, electrónicas y de transporte (Fortier y otros, 2018) muchos sectores de la economía se benefician de la tecnología REE. Los REE se utilizan como catalizadores en reacciones químicas (especialmente para la producción de petróleo), en la producción de vidrio y cerámica, y en fibra óptica. Las tecnologías de energía limpia requieren con frecuencia varios REE, como el neodimio para los motores de los coches eléctricos y los generadores de turbinas eólicas. El disprosio, el gadolinio, el praseodimio, el samario y el neodimio se utilizan para producir imanes potentes para computadoras y teléfonos celulares. El cerio, el neodimio, el samario y el praseodimio también son importantes para las baterías recargables. La industria médica requiere erbio, gadolinio, tulio, iterbio e itrio para equipos de rayos X y resonancia magnética, cirugía láser y tratamiento del cáncer. El cerio, el lantano y el neodimio son aleaciones importantes.

Elemento de tierras raras	Características	Uso
Cerio (Ce)	Suave, dúctil	Aleaciones, pulido, colorante, catalizador, encendedores, recubrimiento de álabes de turbina
Disprosio (Dy)	Propiedades suaves y magnéticas	Láseres, reactores nucleares, imanes, ordenadores
Erbio (Er)	Suave, electropositivo	Cirugía láser, fibra óptica
Europio (UE)	Suave, altamente reactivo, raro	Pantallas de televisión, reactores nucleares, láseres, lámparas fluorescentes
Gadolinio (Gd)	Propiedades dúctiles y magnéticas	Blindaje de neutrones, resonancia magnética (RM), láseres, ordenadores
Holmio (Ho)	Suave, de alta fuerza magnética	Campos magnéticos, láseres, colorante
Lantano (La)	Suave, altamente reactivo	Catalizadores, encendedores, lámparas, ópticas, aleaciones
Lutecio (Lu)	Reactivo	Catalizadores, tomografía por emisión de positrones (PET)
Neodimio (Nd)	Reactivo, duro, maleable	Láseres, imanes, computadoras, motores eléctricos, generadores, iluminación, aleaciones
Praseodimio (Pr)	Suave, dúctil, maleable, magnético	Imanes, colorantes, láseres, pedernales
Prometio (Pm)	Radiactivo, raro, reactivo	Pinturas, baterías nucleares
Samario (Sm)	Duro, reactivo, magnético	Imanes, láseres, barras de control de reactores nucleares
Escandio (Sc)	Suave, reactivo	Aleaciones aeroespaciales, bombillas
Terbio (Tb)	Suave, maleable, dúctil, magnético	Imanes, láseres, lámparas fluorescentes, aleaciones, tecnología de sonar, pilas de combustible
Tulio (Tm)	Radiactivo, blando, maleable	Tecnología de rayos X, láseres
Iterbio (Yb)	Blando, maleable, dúctil	Láseres, medicina nuclear, sismología, aleaciones
Itrio (Y)	Suave, reactivo	Láseres, televisores, superconductores, LED, bombillas, tratamiento del cáncer

Tabla 3: Características y usos de los elementos de tierras raras

Elementos de tierras raras Geología

A pesar del nombre del grupo, la mayoría de los elementos de tierras raras son relativamente abundantes en las rocas de la corteza terrestre, aunque rara vez como metales nativos. A modo de comparación, la concentración media de lantano en la corteza es de 31 partes por millón (ppm) (Tabla 1), ligeramente superior a la media del cobre (Cu), que es de 28 ppm (Rudnick y Gao, 2003). El REE natural menos abundante, el tulio, tiene una concentración media de 0.30 ppm, que sigue siendo sustancialmente más alto que el contenido de plata en la corteza terrestre, que es 0.053 ppm.

El tamaño iónico relativamente grande y las características de equilibrio de carga del REE en los sistemas magmáticos generalmente impiden su inclusión en la mayoría de los minerales formadores de rocas comunes, incluidos feldespatos, cuarzo, anfíboles, mica, etc. En consecuencia, los REE tienden a concentrarse en rocas formadas por magmas que han sufrido un alto grado de fraccionamiento. Estas rocas incluyen complejos ígneos alcalinos y silícicos, pegmatitas, volcanes félsicos y carbonatitas. Debido a la gran similitud en los tamaños iónicos, el torio y el uranio se asocian frecuentemente con REE. Los fluidos hidrotermales a alta temperatura, especialmente los enriquecidos en cloro, flúor y litio, también pueden movilizar REE. Los depósitos económicos de REE se encuentran en sistemas magmáticos, depósitos magmáticos de magnetita-hematita o de óxido de hierro-cobre-oro (IOCG), en placeres de minerales pesados y en zonas de meteorización química dentro de depósitos de arcilla de adsorción de iones (USGS, 2020).

El Programa de Geología y Recursos Minerales de Virginia Energy está llevando a cabo actualmente un estudio para evaluar el enriquecimiento y la movilización de elementos de tierras raras en el regolito por encima de los plutones granitoides en todo el Piamonte. Este estudio, dirigido por el Servicio Geológico de Carolina del Norte y asociado con el Servicio Geológico de Carolina del Sur, es uno de los primeros de su tipo para evaluar la geoquímica regional de REE en el sureste de los Estados Unidos en el contexto de los depósitos de adsorción de iones y arcilla. Más detalles están disponibles en la página web de nuestro proyecto (Earth MRI).

Sistema Mineral	Tipo de depósito	Provincias Geológicas
Placer	arenas minerales pesadas	Llanura costera, plataforma continental exterior
Placer	Paleo-placer	Blue Ridge, Piamonte
Quimioclina marina	Fosfato	Llanura Costera
Magmatic REE	Ti-Fe-P magmático (anortosita, nelsonita)	Blue Ridge, Piamonte
Meteorización química	Concentración de regolito (adsorción de iones) en saprolita	Blue Ridge, Piamonte

Tabla 4: Prospectivos sistemas minerales de REE, tipos de depósitos (Hofstra y Kreiner, 2020) y provincias geológicas en Virginia

Elementos de tierras raras en la industria

Aunque EE.UU. mantiene un suministro de REE en la Reserva de Defensa Nacional, la nación depende actualmente en un 100 por ciento de las importaciones, principalmente de China, Estonia, Japón y Malasia. La mina Mountain Pass, en California, es actualmente el único productor nacional de concentrados de REE, pero todo este material se envía a China para su procesamiento, refinación y fabricación de baterías, imanes y otros productos de alta tecnología. Se han identificado recursos geológicos en Alaska, Arizona, Idaho, Montana, Missouri, Nebraska, Nevada, Texas y Wyoming (USGS, 2020). Las preocupaciones relacionadas con la minería de tierras raras incluyen la posible contaminación del agua y el suelo cerca de los sitios de procesamiento (USGS, 2020).

En Virginia, el REE se puede encontrar en concentraciones relativamente bajas en muchos tipos diferentes de rocas geológicas. Las rocas fuente de REE incluyen intrusivos graníticos del lecho rocoso y gneises graníticos (comunes en el Piamonte, por ejemplo). Los depósitos sedimentarios son una fuente más probable de REE porque son más accesibles y están más concentrados que el REE dentro de rocas metamórficas e ígneas.

Las fuentes sedimentarias de REE incluyen depósitos modernos y paleo-placeres que se encuentran en la llanura costera del Atlántico desde Virginia hacia el sur a través de las Carolinas y hasta Georgia (Mertie, 1975). Estos depósitos de placer contienen arenas minerales pesadas como ilmenita, rutilo y circón, y también los minerales enriquecidos con REE monacita y xenotime. La monacita, en particular, fue identificada en 1849 como una fuente importante de minerales pesados en Virginia (Mertie, 1975). En el pasado se han extraído depósitos económicos de arenas minerales pesadas, incluidos los minerales enriquecidos con REE, en Virginia, y el potencial de nuevos descubrimientos se considera muy alto.

Aunque se conocen las ocurrencias de REE de roca dura en Virginia, el alcance de estos depósitos es limitado y las concentraciones no son actualmente económicamente viables. Solo se ha explorado un sitio específicamente para la presencia de monacita (Chestnut Knob), y todos los demás lugares que se describen a continuación fueron extraídos en busca de otros productos básicos, como titanio y circonio, pero también pueden contener cantidades menores de REE.

Es posible que el REE también se concentre en el regolito que se forma a partir de la meteorización química de las rocas ígneas enriquecidas con REE. Los depósitos de arcilla que resultan de la descomposición de los minerales del lecho rocoso pueden retener REE mediante procesos como la adsorción de iones. Cuando las rocas huésped graníticas que contienen REE se erosionan intensamente, se forma un regolito arcilloso espeso sobre la roca dura en deterioro. Los elementos de tierras raras pueden concentrarse dentro del regolito de arcilla.

En las siguientes secciones se describen algunas de las ocurrencias significativas de REE en Virginia. Aunque no se ha producido producción comercial de REE en estos sitios, el potencial de nuevos descubrimientos se evaluará el próximo año.

Condados de Dinwiddie y Greensville

En los condados de Dinwiddie y Greensville, las arenas minerales pesadas económicas se producen como depósitos de paleoplaceres a lo largo de una antigua costa ahora expuesta. Los minerales pesados se concentraron naturalmente en las arenas costeras de las playas y dunas del Plioceno por la acción del viento y las olas. Los minerales pesados clave en estos depósitos incluyen ilmenita, rutilo, circón, monacita y leucoxeno. En 1997, RGC Resources (ahora Iluka Resources Ltd) comenzó a extraer y procesar las arenas minerales pesadas del depósito Old Hickory, ubicado en el condado de Dinwiddie. Se permitió una segunda mina (Brink) a unas 19 millas al sur en el condado de Greensville en 2008. En ambos sitios, las arenas minerales pesadas fueron extraídas por excavadoras y luego procesadas a través de concentradores de espiral por gravedad para producir concentrados minerales. Las operaciones mineras cesaron en 2017 y los sitios ahora están en proceso de recuperación. Más de 6.2 millones de toneladas de concentrados de minerales pesados se produjeron de 1997 a 2017. Además de los minerales pesados clave, estos sitios pueden considerarse una fuente potencial de minerales enriquecidos con REE.

A partir de 2024, Atlantic Strategic Minerals ha reiniciado las operaciones mineras en su mina Millrun cerca de Stony Creek, VA (https://www.atlanticstrategicminerals.com/). Se han completado investigaciones adicionales sobre las arenas minerales pesadas que albergan posibles recursos de REE como parte del programa Earth MRI .

Condado de Henry

Cerca de la ciudad de Ridgeway, en el condado de Henry, se descubrió un depósito de monacita en 1950. Para 1953, los metales de tierras raras fueron identificados positivamente y un plan para explotar el prospecto Chestnut Knob fue establecido por Southern Minerals Company (Martinsville Bulletin, 1957). En 1955, los derechos mineros fueron arrendados a Virginia Minerals Inc., que se había interesado en el área de Chestnut Knob debido a los prometedores resultados de los estudios radiométricos. Para 1957, se excavó una zanja de 10pies de profundidad y 30pies de largo dentro de la cual se identificaron vetas que contenían monacita (Gooch, 1958). Se extrajeron aproximadamente 15 toneladas de concentrados de monacita para su análisis y procesamiento (Gooch, 1958). Entre 1957 y 1960 se extrajeron monacita, magnetita y circón. El mineral contenía 4-5 por ciento de monacita. Se construyó una planta piloto para refinar la monacita. Se enviaron aproximadamente 275 toneladas de concentrado desde otros lugares para ser procesado en la planta, con una producción reportada de 100 toneladas de mineral por día, lo que produjo 4.5 toneladas de monacita con un contenido de torio del 5 por ciento. Virginia Minerals Inc., que poseía aproximadamente 3000 acres en el área de Chestnut Knob, estimó hasta 1700 toneladas de posibles reservas de monacita basadas en perforaciones exploratorias (Martinsville Bulletin, 1957). Aunque la prospección parecía prometedora, las operaciones fueron de corta duración, el área nunca se desarrolló y la extracción cesó durante los primeros 1960190.

El depósito de mineral Chestnut Knob es un placer en el gneis y esquisto neoproterozoico mapeado como la Formación Fork Mountain. Se observaron vetas o largueros de mineral de monacita en toda el área de prospección. El análisis químico del mineral indicó 69 por ciento de magnetita, 15 por ciento de ilmenita, 9 por ciento de monacita y 3 circón reciente (Mertie 1955).

Condado de Roanoke

En el condado de Roanoke, se prospeccionó la presencia de minerales pesados en la mina Bush-Hutchins. El lecho rocoso es principalmente piedra verde con sienita e intrusiones de diques de nelsonita. La nelsonita de roca que contiene ilmenita y apatita se identificó por primera vez en esta área ya en 1890, cuando era de interés para la minería de hierro (Hickman, 1947). En ese momento, se extraían unos pocos miles de toneladas de hierro y se procesaban en hornos locales (Hickman, 1947). La mina funcionaba a pequeña escala y se utilizaba de forma intermitente con una producción total de 200,000 toneladas de mineral (Hickman, 1947). Procedente principalmente de un gran tajo abierto (500 pies de largo, 75 pies de ancho y 60 pies de profundidad), el mineral también se extrajo de cuatro cortes abiertos más pequeños y varios pozos de prospección (Hickman, 1947). El titanio en el mineral ilmenita era el producto principal y algunas muestras de mineral rico en ilmenita se extrajeron y enviaron a Richmond para su procesamiento (Watson y Taber, 1913). Aunque hay registros de prospección minera posterior en el área, el sitio fue reportado por Watson y Taber (1913) que fue abandonado a principios del siglo 20. Sin embargo, se informó que en 1943 se extrajeron ocho vagones llenos de mineral (Hickman, 1947). El sitio fue revisitado cuando la Oficina de Minas de los Estados Unidos perforó cuatro pozos exploratorios en 1946 después de un prometedor estudio geofísico (Hickman, 1947). Los recortes de los agujeros revelaron hasta 19.1 por ciento de TiO₂ en largueros de nelsonita. La presencia de apatita en los minerales de este sitio puede indicar un contenido de REE que no ha sido evaluado.

Condado de Amherst

En la provincia de Blue Ridge, existen varios sitios mineros históricos que contienen minerales enriquecidos con REE en el condado de Amherst. Aunque estos sitios no fueron extraídos específicamente para REE, pueden existir como un producto secundario.

La mina Little Friar Mountain (también conocida como mina Massie) cerca de la ciudad de Massies Mill en el condado de Amherst es parte del distrito minero de estaño de Irish Creek, que fue descubierto por sus recursos minerales antes de 1900. El cuerpo mineral lineal mide aproximadamente 150 pies de largo y 20 pies de ancho, y contiene alanita, microlita y fergusonita, que se extrajeron para obtener óxidos de REE, así como feldespato, niobio y tantalio a finales del siglo 19y en 1925 (Mallet, 1877). El yacimiento es un dique de pegmatita en granodiorita hiperstena. La alanita y la fergusonita se obtienen principalmente de la parte central del dique, que tiene aproximadamente 2a6 pies de ancho. El análisis revela 6.5 óxidos de cerio recientes y 6.42 porcentaje de óxidos de itrio dentro de muestras de alanita, y 27.94 por ciento de óxidos de erbio-itrio, 1.37 por ciento de óxidos de cerio, 3.92 por ciento de óxidos de lantano, y 4.06 porcentaje de óxidos de disprosio dentro de muestras de fergusonita.

El Distrito Minero del Río Piney-Roseland abarca varias minas en los condados de Amherst y Nelson, incluyendo la mina de la Compañía Americana de Rutileo, las minas de la Compañía Americana de Cyanamid Company, la mina de Camden y la zona de Lucian Burley. Estos sitios fueron prospeccionados o minados principalmente durante la primera mitad del siglo 20. Se cavaron numerosos pozos y zanjas principalmente en saprolita con diques de nelsonita que contenían ilmenita, alanita, rutilo, helvita y fergusonita. Aunque varios de estos sitios produjeron mineral, existen pocos registros. (Pegau, 1932; Fish y Swanson, 1958).