La pérdida de la costa costera ha obligado a muchas entidades locales, estatales y federales a priorizar la caracterización de los recursos de arena en alta mar necesarios para los proyectos de resiliencia costera. Al mismo tiempo, la evaluación de estos recursos en busca de fuentes nacionales de minerales económicos (es decir, arenas minerales pesadas con Ti, Zr, elementos de tierras raras - REE) es una prioridad importante para los Estados Unidos y es fundamental para nuestra economía, seguridad nacional, infraestructura y necesidades energéticas. El trabajo presentado aquí destaca el potencial de un recurso mineral crítico no convencional y un coproducto de la arena en alta mar utilizada para la nutrición de las playas en Virginia.
Operación activa de nutrición de playa en Ocean Park Beach, VA ( 2022de junio).
Cómo estamos estudiando los recursos de arena en alta mar
El Programa de Geología y Recursos Minerales del Departamento de Energía de Virginia (VA Energy) ha estado estudiando los recursos de arena en alta mar durante las últimas cuatro décadas y estos proyectos fueron posibles gracias a las oportunidades de investigación colaborativa con la Oficina de Gestión de Energía Oceánica (BOEM). BOEM administra los recursos federales en alta mar, incluidos los minerales marinos como la arena y la grava. VA Energy ha dado prioridad a las investigaciones sobre el potencial de los recursos de arena en alta mar de Virginia. Un informe de 2019 proporciona la información más reciente sobre el espesor, la extensión lateral y las características texturales de los depósitos potencialmente valiosos de arena de calidad de playa que podrían utilizarse para apoyar proyectos de resiliencia costera (OFR 2019-02 ).
Si bien los recursos de arena rica en cuarzo en alta mar proporcionan un material muy necesario para erosionar las costas, también incluyen pequeñas cantidades de arenas minerales pesadas. Estas arenas minerales pesadas contienen minerales críticos que pueden ayudar a cumplir los objetivos de la Orden Ejecutiva Federal 13817 (2017) destinada a asegurar los materiales vitales de la nación tanto para la seguridad como para la prosperidad económica. Sin embargo, la comprensión actual de las ocurrencias de arena mineral pesada en alta mar y los métodos de coextracción de los depósitos de arena marina sigue siendo incompleta y no probada. La nueva publicación de datos de Nelson, Hawkins y Lassetter (OFR 2024-16) proporciona información detallada sobre las arenas minerales pesadas potencialmente económicas que se encuentran dentro de los depósitos de arena marina utilizados en proyectos de resiliencia costera. Esta evaluación de la capacidad sirve como un resumen exhaustivo de las investigaciones relacionadas con los productos básicos críticos que se encuentran en las arenas minerales pesadas marinas en alta mar en la plataforma continental exterior de Virginia.
recursos para apoyar la resiliencia costera
Los depósitos de arena y grava se extraen en la tierra para obtener agregados naturales y sirven como material vital para las actividades de construcción en nuestras comunidades. El suministro y la disponibilidad de recursos de arena y grava en tierra se ven limitados por varios factores, el más importante de los cuales es el aumento de los costos de transporte del material desde la fuente de la mina hasta el usuario final, generalmente por camión o ferrocarril. Las fuentes de material en alta mar ubicadas en la plataforma continental en aguas estatales y federales pueden dragarse y transportarse a costos relativamente más bajos y pueden satisfacer la creciente demanda de mayores cantidades de arena. Los depósitos de arena en alta mar también sirven como reservas de emergencia para la restauración costera después de desastres naturales y ayudan a proporcionar medidas de mitigación contra la erosión costera a largo plazo. Esto es especialmente crítico en nuestras comunidades costeras que enfrentan riesgos crecientes de inundaciones por mareas, daños erosivos causados por el aumento de la frecuencia y duración de las tormentas y el aumento acelerado del nivel del mar.
La estabilización de la costa es una preocupación importante en muchas áreas de la costa de Virginia, y varios métodos para lograrlo incluyeron la construcción de controles estructurales y barreras como malecones, espigones y rompeolas. En los últimos años, un enfoque más natural de "costa viva" empleó plantaciones de vegetación para mejorar la formación de dunas y la reposición de arena de playa. También conocida como "alimento de playa", la arena de un área de origen que cumple con ciertos requisitos de textura y composición se draga y transporta a una playa que fue gravemente afectada por la erosión. Las áreas de origen pueden incluir material dragado como parte del mantenimiento del canal o de depósitos de arena conocidos en aguas estatales y federales. Es importante tener en cuenta que la nutrición de las playas no detiene las fuerzas erosivas del océano, sino que proporciona un medio rentable para reducir los riesgos asociados con las tormentas y las inundaciones.
Operación activa de nutrición de playa en Ocean Park Beach, VA (junio 2022)
Los depósitos de arena marina ocurren en una variedad de entornos, incluidos bancos de arena sumergidos, láminas de arena lenticular y canales aluviales enterrados. Los cuerpos de arena que se consideran adecuados para el dragado se identifican en función de factores económicos que incluyen el espesor y la extensión lateral del material recuperable, el tamaño del grano y las características de la forma, la mineralogía adecuada, la distancia de la costa y el espesor de la sobrecarga. Igualmente importantes son las consideraciones ambientales para garantizar la protección de las comunidades bentónicas sensibles, la fauna marina y los hábitats florales, minimizando los impactos posteriores al dragado en los servicios de los ecosistemas y evitando los sitios arqueológicos y otros sitios restringidos (uso militar, cables submarinos, tuberías, etc.). La Ley Federal de Tierras de la Plataforma Continental Exterior (OCSLA) autoriza al BOEM a arrendar y regular los minerales marinos mar adentro de la línea divisoria entre el Estado y el Gobierno Federal situada a tres millas náuticas (nm) de la costa. El trabajo recientemente completado proporciona nueva información sobre el grosor, la extensión lateral y las características texturales de depósitos potencialmente valiosos de arena limpia y con calidad de playa que podrían utilizarse para apoyar proyectos de resiliencia costera (Figura 1; OFR 2019-02). El muestreo específico adicional y los datos geofísicos para los recursos de agregados de arena, grava y conchas en alta mar proporcionarían los datos necesarios para ayudar a caracterizar áreas suficientes que podrían utilizarse para proyectos de resiliencia costera, beneficiando a las partes interesadas de los gobiernos locales, estatales y federales, así como a los propietarios de tierras privadas.
Figura 1: Ubicaciones de muestra y mapas de espesor de arena superficial para áreas costa afuera de Virginia.
Minerales pesados económicos
Nuestros estudios también han identificado minerales pesados económicos que se depositaron con sedimentos marinos en alta mar en cantidades que van desde trazas hasta más del 10 por ciento en peso (wt%). Los minerales pesados tienen una gravedad específica superior a unos 2.9 g/cm3 (el cuarzo común, que no es un mineral pesado, tiene un peso específico de 2.65), e incluyen ilmenita (FeTiO3), leucoxeno (ilmenita alterada), rutilo (TiO2), circón (ZrSiO4) y monacita (((Ce,La,Y,Th)(PO4)), entre otros. Estos minerales contienen productos elementales críticos como el titanio (Ti), el circonio (Zr) y los elementos de tierras raras (REE) que tienen valor comercial y son potencialmente recuperables como parte integral de las operaciones de nutrición de las playas.
Los depósitos de arena en alta mar contienen minerales pesados diseminados que son fuentes de óxidos de Ti y Zr utilizados en la fabricación de pigmentos para pinturas, plásticos, esmaltes cerámicos y otros usos industriales. Otros minerales de interés económico potencial incluyen minerales de silimanita (Al22SiO5), granate ((Mg, Fe, Mn, Ca) Al2Si3O12), y cuarzo sílice de alta pureza (mineral no pesado). Las ocurrencias de estos minerales reflejan los procesos geológicos que han actuado sobre el lecho rocoso y los sedimentos de Piedmont y Blue Ridge en la llanura costera de Virginia. La meteorización física y química, la erosión, el transporte y la deposición de sedimentos, combinados con los procesos marinos, han clasificado y redistribuido los sedimentos en la plataforma continental. Un ejemplo de este retrabajo marino y separación de densidad natural se muestra en la foto de abajo. Dependiendo de la concentración, extensión y composición mineral de estos recursos, los depósitos económicamente viables podrían extraerse conjuntamente con arena marina para la nutrición de la playa o durante otras operaciones de dragado independientes.
Minerales pesados (áreas oscuras en el centro de la foto) concentrados por la acción de las olas en Virginia Beach; Históricamente, la ubicación ha recibido arena en alta mar para alimentarse.
El análisis de laboratorio de concentrados totales de minerales pesados (THM) a partir de muestras en alta mar ha permitido cuantificar la variabilidad de la composición de los minerales económicos y las concentraciones de los productos críticos que contienen. Los resultados también proporcionan nueva información sobre las características del tamaño de grano que, junto con la gravedad específica y la susceptibilidad magnética, son importantes para la evaluación de los métodos de recuperación y separación.
Hasta la fecha, Virginia Energy ha analizado concentrados minerales de muestras de sedimentos 640 para determinar el contenido de THM. El contenido medio de THM promedió aproximadamente el 3 % en peso, con algunas concentraciones superiores al 16 % en peso de THM (Figura 2). La porción económica de minerales pesados (EHM, por sus siglas en inglés) (es decir, ilmenita, rutilo, circón, minerales que contienen REE) promedió alrededor del 42% de la THM. Estas concentraciones se comparan favorablemente con las leyes económicas conocidas para los depósitos terrestres que se han extraído históricamente en la llanura costera de Virginia (consulte la página del proyecto Earth MRI para obtener más información).
Figura 2: Geodatabase de minerales pesados que muestra muestras marinas en alta mar de Virginia. R: 620 muestras con datos de minerales pesados de proyectos anteriores, los colores de los símbolos están determinados por el porcentaje de minerales pesados totales (THM) obtenidos a través de métodos de separación en espiral por gravedad. B: M21muestras de00010 de CA (indicadas con halo blanco) de los vibrácores de Sandbridge Shoal y Atlantic Channel para análisis mineralógicos y de THM.
Una evaluación de la capacidad para la recuperación de minerales críticos y económicos de la arena utilizada para proyectos de resiliencia costera
Este informe fue posible gracias a la financiación proporcionada por el Acuerdo de Cooperación No. M21AC00010. Sirve como un resumen exhaustivo de nuestra investigación de los productos críticos que se encuentran en las arenas minerales pesadas marinas frente a la costa de Virginia, profundizando específicamente en su posible co-extracción durante las operaciones de nutrición de la arena de la playa. En el informe se tratan cinco temas principales: 1) las actas del foro de arena mineral pesada marina del Atlántico Medio de Virginia Energy celebrado en 2022 incluidos los beneficios y desventajas de la separación de arena mineral pesada, 2) los requisitos reglamentarios existentes o la falta de ellos, 3) la geología de las ocurrencias de arenas minerales pesadas en alta mar en Virginia, 4) métodos de selección rápida de productos críticos dentro de los sedimentos marinos utilizando un instrumento portátil de fluorescencia de rayos X (pXRF), y 5) lo que implicaría la próxima fase de esta investigación para probar la viabilidad.
En 2022, se convocó el foro de arenas minerales pesadas marinas del Atlántico Medio de VA Energy para recopilar opiniones de las partes interesadas y los reguladores sobre la separación de minerales pesados durante la nutrición de la arena de la playa, lo que resultó en actas publicadas (Hawkins y Lassetter, 2022). La recuperación de minerales no combustibles en la arena costa afuera es una iniciativa novedosa dentro del marco regulatorio y de permisos existente, que requiere una colaboración proactiva entre los gobiernos federales, estatales y locales.
Los sedimentos frente a la costa de Virginia contienen concentraciones totales de arenas minerales pesadas que van desde 0.1-17 % en peso (porcentaje en peso) con los minerales ilmenita, circón, granate, rutilo, piroxeno y anfíbol que constituyen colectivamente la mayor parte de la composición de las muestras de sedimentos de 640 incluidas en la base de datos geográfica adjunta. En el área de arrendamiento de la plataforma continental exterior federal Sandbridge Shoal, una fuente comprobada de arena para la nutrición, las arenas minerales pesadas constituyen un promedio de 0.85 % en peso del material a granel muestreado utilizando métodos de vibracore. En contraste, el Canal Federal de Navegación del Océano Atlántico, dragado con fines de navegación, contiene arenas minerales pesadas con un promedio de 1.06 % en peso de material a granel.
El informe también presenta un protocolo de detección utilizando un espectrómetro XRF portátil y describe los umbrales geoquímicos derivados empíricamente y las limitaciones para identificar posibles minerales críticos. Estos criterios tienen como objetivo evaluar los sedimentos marinos y sus contrapartes en tierra para detectar la presencia de minerales ricos en Ti, Zr y REE. Este informe destaca la correlación entre el aumento de las concentraciones de Zr y Fe con un mayor contenido de arena mineral pesada, lo que podría indicar arenas minerales pesadas económicas en muestras de sedimentos a granel. El informe concluye con una revisión de las operaciones y procesos actuales de separación de minerales pesados que podrían adaptarse para la extracción de minerales pesados de las arenas utilizadas en las operaciones de nutrición de playas. Teniendo en cuenta las tecnologías disponibles y las partes interesadas necesarias, esto podría mitigar eficazmente los gastos de alimentación, establecer un suministro nacional de minerales críticos y mejorar la calidad general de las arenas de las playas.
Ejemplo de variación litológica en sedimentos mar adentro recolectados de Sandbridge Shoal (vibracore).
Para evaluar la geoquímica y la mineralogía de las áreas federales de préstamo/dragado existentes, examinamos y muestreamos vibracores obtenidos previamente de Sandbridge Shoal y el Canal de Navegación Federal del Océano Atlántico frente a la costa de Virginia Beach. Utilizamos una espiral de 3vueltas de Humphreys (que se muestra a continuación) para la separación por gravedad de estos materiales para crear un preconcentrado de arenas de alta densidad que se presentaron a un laboratorio para mineralogía modal. Los detalles sobre la mineralogía modal están disponibles en el Apéndice C de la Evaluación de la Capacidad. Además, proporcionamos más información sobre los minerales pesados económicos en Virginia en la página web de Minerales Críticos.
Concentrador en espiral Humphreys de tres vueltas utilizado para separar los minerales más densos de los más ligeros; (B)-(C) aumento de un concentrado de arena mineral pesada.
Separación visible de la fracción mineral más ligera (es decir, cuarzo, feldespato) y la fracción mineral más pesada (es decir, ilmenita, circón, etc.), realizada mediante separación por gravedad en la espiral de tres vueltas de Humphreys.
El protocolo de detección de pXRF describe que la evaluación de la capacidad se basa en datos geoquímicos disponibles y accesibles y puede actualizar a medida que se adquieran más datos. Destaca las mejores prácticas actuales para identificar elementos críticos en arenas minerales pesadas a partir de recursos de arena en alta mar. Recomendamos la evaluación de los elementos relacionados con la ilmenita, el rutilo, el circón y los fosfatos que contienen REE, ya que estos son los productos críticos en las áreas de préstamo de Sandbridge y el canal de navegación federal del Océano Atlántico. Los principales elementos presentes en estos concentrados minerales son Fe, Ti y Zr, con trazas de La, Ce, Y, Sc, Nb y/o V. El objetivo es proporcionar un tiempo de respuesta de detección eficiente y guiar la ejemplificación para la presentación de laboratorio para geoquímica analítica y mineralogía. Este protocolo está disponible en la evaluación de la capacidad con detalles complementarios en el Apéndice D y proporciona una discusión de los procedimientos generales de ejemplificación y procesamiento (Figura 3). El protocolo no aborda los requisitos específicos de certificación, inspección o capacitación por rayos X de los fabricantes de equipos. El usuario debe estar familiarizado con la química elemental de minerales específicos y / o material rocoso y comprender la heterogeneidad del material que se está probando.
Figura 3: Consideraciones generalizadas de detección de pXRF para detectar productos críticos contenidos en los recursos de arena en alta mar. Los discos de muestra ex situ incluyen sedimento compactado con una lámina protectora de prolene de 4micras de espesor.
En el Apéndice E de la Evaluación de la Capacidad se incluyen las recomendaciones para un estudio piloto a fin de probar la viabilidad de concentrar y seguir procesando arenas minerales pesadas en una instalación tierra adentro junto con un proyecto de nutrición de playas. Estos próximos pasos propuestos están destinados a proporcionar un punto de partida para posibles esfuerzos futuros relacionados con la recuperación de arena mineral pesada de arenas nutritivas.
Entregables »
- Informe 2024-16 - Una evaluación de la capacidad sobre la recuperación de minerales críticos y económicos de la arena utilizada para proyectos de resiliencia costera.
- Informe de archivo abierto 2022-20 - Actas del 2022 Foro de Arenas Minerales Pesadas Marinas del Atlántico Medio.
- Informe resumido
- Geodatabase
Otros informes »
- Informe 2019-04 - Distribuciones de minerales pesados en sedimentos costa afuera utilizando el análisis factorial en modo Q.
- Informe de 2019-03 - Minerales pesados económicos en la plataforma continental costa afuera de Virginia: nuevos conocimientos sobre la mineralogía, el tamaño de las partículas y la química de los elementos críticos.
- Informe de archivo abierto 2019-02 - Evaluación de los recursos de arena en alta mar para la remediación de playas en Virginia.
- Informe 16-01 - Distribución del tamaño de grano y contenido de minerales pesados de arenas marinas en aguas federales frente a la costa de Virginia.
Agradecimientos
La financiación de los proyectos de arena y recursos minerales pesados (informes de archivo abierto de 2016a2019) fue proporcionada por la Oficina de Gestión de Energía Oceánica de los Estados Unidos (BOEM) en virtud del Acuerdo de Cooperación M14AC00013 con fondos adicionales de Virginia Energy. El BOEM proporcionó fondos para el estudio de evaluación de la capacidad para evaluar la recuperación de minerales económicos dentro de los depósitos de arena marina en virtud del Acuerdo de Cooperación M21AC00010 con contribuciones de fondos adicionales de Virginia Energy. Para obtener más información sobre los minerales marinos en la plataforma continental del Atlántico, visite el sitio web del BOEM.
Billy Lassetter recogiendo una muestra de la superficie del sedimento en alta mar de Virginia para su posterior análisis.
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Otros recursos:
Blanchette, J., y W.L. Lassetter, 2018, Recursos minerales marinos en la plataforma continental exterior de Virginia: cuantificación de depósitos de arena para la restauración costera y ocurrencias de minerales pesados económicos [abs]: Reunión anual de la sección noreste de la Sociedad Geológica de América, 17-20 de marzo de 2018, Burlington, VT.
Lassetter, W.L., Blanchette, J.S., y Holm-Denoma, C., 2019, Recursos minerales marinos en la plataforma continental costa afuera de Virginia: nuevos conocimientos sobre los minerales pesados económicos: [abs]: Reunión anual de la sección sureste de la Sociedad Geológica de América, 28-29 de marzo de 2019, Charleston, Carolina del Sur.
