Michael Vanden Berg, géologue de l'Utah Geological Survey, examine un affleurement de charbon près de l'ancienne mine Star Point de l'Utah. Crédit : Lauren Birgenheier, Université de l'Utah
De nouvelles recherches documentent des niveaux élevés de ces métaux, nécessaires à la transition énergétique, au-dessus et au-dessous des gisements de charbon de l’Utah et du Colorado.
Ironiquement, les gisements de minéraux essentiels nécessaires à la transition des systèmes énergétiques mondiaux vers l'abandon des combustibles fossiles pourraient être situés à proximité de gisements de charbon qui ont été exploités pour produire le combustible fossile le plus impliqué dans le changement climatique.
Aujourd'hui, des recherches menées par l'Université de l'Utah ont documenté des concentrations élevées d'un sous-ensemble clé de minéraux critiques, connus sous le nom d'éléments de terres rares, ou ETR, dans les mines actives bordant la ceinture houillère d'Uinta, au Colorado et en Utah.
Ces découvertes ouvrent la possibilité que ces mines puissent voir un flux de ressources secondaires sous la forme de métaux utilisés dans les énergies renouvelables et de nombreuses autres applications de haute technologie, selon la co-auteure de l'étude Lauren Birgenheier, professeure agrégée de géologie et de géophysique.
« Le modèle est le suivant : si vous déplacez déjà de la roche, pourriez-vous en déplacer un peu plus pour obtenir des ressources destinées à la transition énergétique ? » » dit Birgenheier. « Dans ces zones, nous constatons que les éléments des terres rares sont concentrés dans des unités de schistes à grains fins, les schistes boueux qui se trouvent au-dessus et en dessous des veines de charbon. »
Lauren Birgenheier, géologue de l'Université de l'Utah, inspecte des échantillons dans une pile de déchets de traitement du charbon. Crédit : Michael Vanden Berg, Commission géologique de l'Utah
Une recherche de sources alternatives de terres rares
Cette recherche a été menée en partenariat avec l'Utah Geological Survey et le Colorado Geological Survey dans le cadre du projet CORE-CM, financé par le ministère de l'Énergie, sur les minerais de carbone, les terres rares et les minéraux critiques. Les nouvelles découvertes serviront de base à une demande de subvention de 9,4 millions de dollars supplémentaires en financement fédéral pour poursuivre la recherche.
Bien que ces métaux soient cruciaux pour l’industrie manufacturière américaine, en particulier dans les technologies haut de gamme, ils proviennent en grande partie de l’étranger.
« Lorsque nous parlons d'eux comme de « minéraux critiques », une grande partie de leur caractère critique est liée à la chaîne d'approvisionnement et à la transformation », a déclaré Michael Free, professeur d'ingénierie métallurgique et chercheur principal de la subvention du DOE. « Ce projet est conçu autour de la recherche de sources nationales alternatives non conventionnelles pour ces matériaux. »
L'étude dirigée par U a été publiée le mois dernier dans la revue Frontières des sciences de la Terre. Les membres de l'équipe comprenaient les étudiants diplômés Haley Coe, l'auteur principal, et Diego Fernandez, professeur-chercheur qui dirige le laboratoire qui a testé les échantillons.
Que sont les éléments des terres rares ?
Malgré leur surnom, les éléments des terres rares (ÉTR) ne sont pas rares dans la croûte terrestre, mais on les trouve rarement à des concentrations suffisamment élevées pour rendre leur exploitation économique. Près de 90 % de l'approvisionnement mondial est traité en Chine, selon le Bipartisan Policy Center.
Ces éléments métalliques comprennent les 15 de la série des lanthanides ainsi que le scandium (Sc) et l'yttrium (Y), tous présents dans la troisième colonne du tableau périodique.
Ces éléments se trouvent généralement sous leurs formes oxydes. Parce qu’ils existent en très faibles concentrations, ces minéraux sont difficiles à séparer des minerais et les uns des autres.
Les terres rares possèdent des propriétés particulières qui en font des ingrédients essentiels dans les matériaux associés aux applications de haute technologie.
« Cela tient vraiment au type de composés que vous pouvez former avec ces éléments rares ou ces minéraux essentiels qui les rendent attrayants et plus efficaces », a déclaré Michael Free, professeur d'ingénierie métallurgique à l'Université de l'Utah. « Lorsque vous regardez les éléments les plus rares, le néodyme (Nd), le praséodyme (Pr) et le dysprosium (Dy), ils peuvent être combinés avec d'autres éléments pour former des aimants de haute puissance. »
De nombreux composés de lanthanides sont utilisés dans le verre et les catalyseurs, ainsi que dans les aimants, les supraconducteurs, les phosphores, les lasers et les matériaux luminescents. Les terres rares sont également présentes dans la technologie quotidienne, comme les téléviseurs et les écrans de smartphones, les dispositifs médicaux, les catalyseurs automobiles et fluides. Les technologies énergétiques neutres en carbone, notamment les éoliennes, les panneaux solaires, les véhicules électriques, les batteries rechargeables et l’éclairage économe en énergie, nécessitent également ces éléments.
« Avec les pales d'une turbine, par exemple, dans une éolienne pour produire de l'énergie, vous souhaitez utiliser des aimants plus puissants pour les rendre plus efficaces. Cela nous aide essentiellement dans une partie de cette transition énergétique. C'est une question d'efficacité énergétique, c'est une question de densité énergétique pour le stockage », a déclaré Free. « Il existe de nombreux types de choses stratégiques avec certains de ces éléments qui sont critiques, qui sont utilisés dans les appareils électroniques haut de gamme, les technologies satellitaires et les applications de défense. Ce type d'éléments fonctionne bien mieux que les éléments plus courants que nous utilisons. familier avec. »
Les États-Unis utilisent en moyenne 8 300 tonnes d’oxydes de terres rares par an, selon l’US Geological Survey. La mine de Mountain Pass, située dans le désert de Mojave en Californie, est le plus grand producteur d'éléments de terres rares du pays, mais la majeure partie de sa production est envoyée à l'étranger pour y être transformée.
« L'offre ici n'est pas très établie dans certains cas. Il a été établi dans une certaine mesure, mais il a ensuite été expédié à l'étranger parce que nous ne voulions pas nous approvisionner ici. Nous ne voulions pas ouvrir de nouvelles mines ici », a déclaré Free. « Cela nous rend donc vulnérables à un grand nombre de ces technologies haut de gamme et aux technologies d’énergie propre dans lesquelles nous essayons de nous développer davantage.
L'association entre les gisements de charbon et les gisements d'ETR a été bien documentée ailleurs, mais peu de données ont été analysées auparavant concernant les gisements de charbon autrefois très occupés de l'Utah et du Colorado, qui ont connu des temps difficiles à mesure que la demande intérieure de charbon s'est rétrécie. Cependant, parmi un déclin à plus long terme, les mines de charbon encore actives dans l'Utah et le Colorado signalent qu'elles ne peuvent pas exploiter assez rapidement ces dernières années pour répondre à la demande et aux prix élevés du charbon.
« L'objectif de cette première phase du projet était de collecter des données supplémentaires pour essayer de comprendre si cela valait la peine d'être poursuivi en Occident », a déclaré Michael Vanden Berg, co-auteur de l'étude, responsable du programme énergie et minéraux à l'Utah Geological Survey. « Y a-t-il un enrichissement en éléments de terres rares dans ces roches qui pourrait fournir une sorte de sous-produit ou de valeur ajoutée à l'industrie minière du charbon ? »
L'étude a ciblé la région productrice de charbon qui s'étend du plateau Wasatch, dans l'Utah, à l'est, en passant par les Book Cliffs, jusqu'au Colorado. Les chercheurs ont analysé 3 500 échantillons provenant de 10 mines, de quatre tas de déchets miniers, de sept carottes stratigraphiquement complètes et même de quelques tas de cendres de charbon à proximité de centrales électriques.
L'étude a porté sur les mines actives Skyline, Gentry, Emery et Sufco de l'Utah, les mines Dugout et Lila Canyon récemment inutilisées dans les Book Cliffs, ainsi que les mines historiques Star Point et Beaver Creek n°8. Les mines du Colorado étudiées étaient celles de Deserado et de West Elk.
Analyser des échantillons de roche par milliers
« Le charbon lui-même n'est pas enrichi en éléments de terres rares », a déclaré Vanden Berg. « Il n'y aura pas de sous-produit de l'extraction du charbon, mais pour une entreprise qui exploite le gisement de charbon, pourrait-elle occuper quelques pieds de sol en même temps ? Pourraient-ils prendre quelques pieds du plafond ? Y aurait-il du potentiel là-bas ? C’est dans cette direction que les données nous ont conduits.
Pour recueillir des échantillons, l'équipe a travaillé directement avec les exploitants de la mine et a examiné les affleurements de veines de charbon et les tas de déchets de traitement. Dans certains cas, ils ont analysé des carottes de forage, tant archivées que récemment forées dans les mines. L'équipe est entrée dans les mines de l'Utah pour collecter des échantillons de roche sur les rampes souterraines qui relient les veines de charbon.
Les chercheurs ont déployé deux méthodes différentes pour enregistrer les niveaux de terres rares présentes, exprimées en parties par million, ou ppm, dans les échantillons. L’un était un appareil portatif permettant des lectures rapides sur le terrain, l’autre utilisait la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif, ou ICP-MS, dans le laboratoire du campus supervisé par Fernandez.
« Nous utilisons principalement cet appareil portable à fluorescence X, qui est un pistolet d'analyse que nous maintenons sur la roche pendant deux minutes, et il ne nous donne que cinq ou six des 17 éléments des terres rares », a déclaré Birgenheier. Si les échantillons présentaient des concentrations supérieures à 200 parties par million, ou ppm, ils effectuaient une analyse plus complète à l'aide de l'équipement de spectrométrie de masse du campus.
Le ministère de l'Énergie a fixé à 300 ppm la concentration minimale pour que l'exploitation minière des terres rares soit potentiellement économiquement viable. Cependant, pour l’étude, les chercheurs ont considéré que les concentrations supérieures à 200 ppm étaient considérées comme « enrichies en ETR ».
L’étude a révélé que la prévalence la plus élevée de telles concentrations se trouvait dans les formations de siltstone et de schiste adjacentes au charbon, tandis que le grès et le charbon lui-même étaient pour la plupart dépourvus de terres rares.
L’équipe a analysé 11 000 échantillons à ce jour, bien plus que ce qui a été utilisé dans l’étude publiée. Les prochaines étapes consistent à déterminer la quantité de minerai de terres rares présente, ce qui sera probablement réalisé avec des collègues de l'Université du Wyoming et de l'Institut des mines et technologies du Nouveau-Mexique.
« Nous avons encore des résultats en cours et des articles qui seront bientôt publiés », a déclaré Birgenheier. « Nous rédigeons actuellement une proposition pour la phase deux. Nous ne pouvons pas encore estimer le volume des ressources parce que nous ne disposons pas de ces données. Cette prochaine phase nous poussera à répondre : « Comment pouvons-nous réellement calculer un volume de terres rares dans ces gisements ? »
Comment les éléments sont-ils arrivés là ?
L'étude n'a pas identifié le processus géologique qui a enrichi les formations adjacentes au charbon, mais Birgenheier a quelques théories. De nombreuses formations houillères de l'Utah ont été déposées au cours de la Crétacé période qui s'est terminée il y a 66 millions d'années, une époque où l'ouest des États-Unis était volcaniquement actif.
« Il y a deux modèles. L’une d’elles est peut-être que les cendres volcaniques ont introduit des terres rares dans d’anciennes tourbières », a-t-elle déclaré. « L'autre est qu'il existe des preuves que la matière organique terrestre dans la tourbière absorbe en fait des terres rares lourdes. »
Puis, au fil du temps, de la chaleur et de l’enfouissement, les tourbières enrichies en terres rares sont devenues des gisements de charbon de l’Utah et du Colorado.
« Nous pensons que les terres rares se trouvaient dans les charbons et ont migré dans les mudstones ou siltstones adjacents au-dessus et au-dessous des charbons », a expliqué Birgenheier, « probablement par un processus appelé diagenèse, essentiellement tout mouvement de fluide qui se produit dans la roche après son dépôt. »
