(Primera parte)
Por: Sergio Bazán Barrón y Sergio D. Bazán Perkins
Resumen
La distribución de los yacimientos de Tierras Raras en los estados de Oaxaca, Chiapas, Guanajuato, Jalisco, Tamaulipas y Sonora, se debe a la exploración de minerales radiactivos de uranio y el torio, en la sucesión litoestratigráfica del territorio nacional. Por su escasa concentración en la corteza, comúnmente se consideran difícil de detectar cuando basta un simple contador Geiger-Müller para cuantificar la emisión de radiación ionizante de zonas prospectivas. Esto es, medir partículas alfa, beta y gamma emitidas por el torio y uranio asociados con las Tierras Raras (TR), en rocas de ambientes sedimentario, ígneos y metamórficas. La radiactividad evidencia las TR asociadas en solución sólida con el torio y uranio, en los minerales refractarios como circón, monacita, xenotima, torianita, bastnasita, loparita, bastita, apatita, esfena, torita, magnetita, ilmenita, allanita, betafita, euxenita, biotita, clinopiroxenos, anfibolas, entre otros más.
Se parte que varios depósitos de titanio en Oaxaca, Chiapas, Guanajuato, Jalisco, Tamaulipas y Sonora emiten excesiva radiactividad de fondo, mediante contadores Geiger-Müller, dosímetros, espectrómetros y difracción por fluorescencia de rayos “X”, con la presencia de TR. Por lo general, se distribuyen sobre discordancias tectónicas, oblicuas, paralelas basales de secuencias precámbricas muy erosionadas, de gran extensión regional que exponen miles de millones de toneladas potenciales para su exploración y eventual extracción económica. En conjunto, afloran bastante accesibles para su análisis y evaluación geoquímica, explotables a cielo abierto, para los acarreos, su concentración y eventual refinación metálica, en un proceso bastante costoso y complicado que requiere experiencia.
El gran interés de las TR radica en las extensas aplicaciones y usos en vehículos eléctricos, instrumentos médicos, como en infinidad de tecnologías de punta y de sofisticados misiles espaciales, satélites y armamento. Son base de los chips para mejorar el gran uso de instrumentos de la vida cotidiana, como partes de los componentes de imanes infinitamente pequeños, para emisión de colores en las pantallas de celulares y los zumbidos de llamadas externas. De gran aplicación para mantener girando las turbinas eólicas, como de varios aditamentos en instrumentos espaciales y los inalámbricos con infinidad de accesorios, entre muchos más.
Los yacimientos de TR en estudio, comprenden su localización, distribución y las características geológicas que definen su control litoestratigráfico y espacial, que no se cuantificaban ni evaluaban en las pasadas décadas, debido al poco interés tecnológico y científico que representaban. Por otra parte, su explotación y la concentración metalúrgica implicaba disponer de especialistas para los procesos de refinación bastante compleja. Sin embargo, debido a su gran demanda en la actualidad, los depósitos que se abordan representan miles de millones de toneladas potenciales para su evaluación económica y de reservas, para sostener avanzada investigación en su concentración química, para cada uno de los 17 elementos que integran las Tierras Raras.
Respecto a la distribución y génesis de los depósitos de TR se inicia con la sucesión litoestratigráfica del arco volcánico sedimentario del Supergrupo Telixtlahuaca, originado por la subducción del Supergrupo Acatlán hacia el oriente, en los ~1,600 Ma, que generó el rifting de apertura oceánica (back-arc spreading), de la Faja Estructural Oaxaqueña, durante el Mesoproterozoico. Este evento generó la dorsal del ortogneis máfico y las migmatitas alcalinas del área tipo El Catrín, del Grupo Oaxaca, como parte basal del arco volcánico de Supergrupo Telixtlahuaca, que yace en discordancia tectónica sobre los paragneis del Grupo El Trapiche, parte basal del Supergrupo Zimatlán, del Paleoproterozoico. La apertura oceánica se inicia al nivel de 1550 Ma, durante el Mesoproterozoico, hacia la parte oriental del rifting, mientras que al poniente se desarrollaban las facies del Subgrupo Tenexpan de naturaleza sedimentaria, consistente de una plataforma carbonatada marina y cuña clástica litoral alternante. Finaliza la secuencia con una sucesión volcánica marina de andesitas, dacitas y riolitas alcalinas, con pillow lavas del Subgrupo La Unión.
Por tanto, la génesis de los yacimientos de la Faja Estructural Oaxaqueña se interpreta con la sucesión litoestratigráfica del Precámbrico, que se basa en los depósitos de Huitzo-Etla, Telixtlahuaca, ubicados al noroccidente del Valle de Oaxaca. Consisten de una sucesión de paragneis con bandas cuarzo feldespáticas de hornblenda y biotita de color verde-gris oscuro con ilmenita, rutilo, magnetita, apatito y nelsonitas. Las bandas de titanio alternan con bandas cuarzo feldespáticas y calcosilicatos magnesianos de color crema claro y material pelítico, enriquecidas por hidrotermalismo por apófisis del batolito granítico de biotita y hornblenda de Huitzo-Etla, del Paleozoico que intrusan al Subgrupo Tenexpan y Subgrupo La Unión, del Grupo Oaxaca, del Mesoproterozoico. Este evento de plutonismo paleozoico generó las pegmatitas no deformadas con alto contenido de TR asociadas al torio, en solución hidrotermal, derivados del mismo paragneis del Subgrupo Tenexpan.
Ese proceso hidrotermal se puede apreciar hacia el Valle de Oaxaca, por la anatéxis líquido gaseosa que asimiló los paragneis del Subgrupo Tenexpan para generar un extenso plutonismo de anortositas paleozoicas. Se considera que la anatéxis afectó la sucesión del Grupo Oaxaca basal y las facies del Subgrupo Tenexpan y Subgrupo La Unión de la parte basal del Supergrupo Telixtlahuaca del Mesoproterozoico. Estos, forman una sucesión de gabros, basaltos alcalinos, calcosilicatos, plataformas marinas y areniscas litorales de playas que definen una cuña clástica, durante la subducción marina al oriente, del Supergrupo Acatlán del Mesoproterozoico.
Dentro del arco del Supergrupo Telixtlahuaca de la Faja Estructural Oaxaqueña, destaca por su riqueza la mina de titanio-rutilo La Libertad-Cristina, Acacoyagua, Chiapas, próxima a las fallas Polochic-Motahua de la placa Caribeña, que implica varias intrusiones plutónicas del Paleozoico. Otro importante yacimiento lo constituye la mina de Pluma-Hidalgo, Oaxaca, al norte de Pochutla, emplazados por anortositas alcalinas, con plagioclasas de andesina, antipertitas, entre 20-30% de cuarzo, cristales de rutilo, ilmenita y apatita, diseminados en forma lenticular. La importancia de estos depósitos radica en que asocian el mismo proceso genético en tiempo y espacio con los yacimientos de Huitzo-Etla, del arco del Supergrupo de Telixtlahuaca, como los del Gneis Novillo, para integrar una extensión de 1200 km de la Faja Estructural Oaxaqueña, desde Chiapas hasta el estado de Tamaulipas.
Podemos concluir que la génesis de las TR parten de los extensos placeres de plataformas marinas y litorales del Subgrupo Tenexpan del Mesoproterozoico que contenían ilmenita, rutilo, brookita, esfena, apatita en una matriz cuarzofeldespática, enriquecidos durante la expansión oceánica del Grupo Oaxaca. Las nelsonitas en Huitzo-Etla, siguen el bandeamiento de la foliación del paragneis alterado, en contenidos entre 0.52% a 4.82% de P2O5 y de 8.20% a 36.10% de TiO2. En tanto, que en el Gneis Novillo, sobre el Cañón de la Peregrina, próximo al rancho El Asbesto y sobre el arroyo de los Alamos, afloran secuencias del Grupo Oaxaca y del Subgrupo Tenexpan, con nelsonitas tabulares que reportan: TiO2 – 29.46%; FeO – 32.75%; P2O5 – 12.64%. Las nelsonitas siguen los estratos foliados del paragneis, asociadas con eventos plutónicos de anortositas alcalinas paleozoicas, que intrusionan al arco volcánico del Supergrupo Telixtlahuaca.
Por otra parte, se analiza la génesis de otro tipo de depósitos de TR que ocurren en las secuencias de “iron formation”, tipo BIF Superior, de los frupos Valdeflores y Coyotillo, de la cima del Geosinclinal de El Rosario, del Supergrupo Zimatlán del Paleoproterozoico, distribuidos en los estados de Oaxaca y Sonora respectivamente, con edad de 2,500 Ma. Su importancia radica por la gran radiactividad emitida con alto contenido de torio en minerales refractarios, asociados con la magnetita, torita, apatito, monacita y circón, asociados con el hierro y la sílice. Si bien, las secuencias de los “iron formation” se presentan muy erosionadas por discordancias tectónicas, todos los yacimientos de hierro de Oaxaca, Michoacán, Jalisco, Colima, Sinaloa, Sonora y Chihuahua se deben a concentraciones sedimentarias del Cretácico Inferior, dejadas durante la expansión oceánica del Geosinclinal Mexicano, con minerales refractarios que contienen al torio asociado con apatita rica en tierras raras. En tal sentido, se establece que las concentraciones de magnetita en secuencias del Cretácico Inferior tienen su origen por la erosión de los “iron formation” del Grupo Valdeflores, del Supergrupo Zimatlán del Geosinclinal de El Rosario del Paleoproterozoico.
Es importante destacar que los yacimientos de TR son de fácil acceso, debido a su control litoestratigráfico para su exploración en el tiempo y espacio. Es decir, que su evaluación y la investigación científica, implica gran avance sobre la naturaleza de la secuencia del Precámbrico en México, que ante su extensa distribución se desconoce en las diversas cartas geológicas del territorio nacional. Esto es, que la investigación geológica de las TR implicará apreciar la extensa distribución de las rocas precámbricas y la sucesión en la corteza.
Como tema principal, se describen seis modelos con la presencia de Tierras Raras, documentados en la sucesión litoestratigráfica, a partir de la elevada radiactividad que exhiben asociadas con el titanio, estrechamente vinculados con el alto contenido del torio y menor cantidad de uranio en detríticos refractarios de circón, monacita, xenotima, bestita, esfena, torita, apatita, ilmenita, magnetita, biotita, hornblenda, clinopiroxenos, torianita, bastnasita, loparita, euxenita, entre otros. En ellos, destaca que las TR son de mucho mayor concentración y contenido que la del torio, al variar según la especie mineralógica. Esto es, derivado de los estudios químicos en los laboratorios de la entonces Comisión Nacional de Energía Nuclear, realizada a partir de las pegmatitas de la región de Huitzo-Etla y del Valle de Oaxaca y después en todo el territorio nacional.
De los reconocimientos realizados se concluye que el país es autosuficiente en la producción económica de las TR para las próximas décadas y su aplicación en tecnologías avanzadas. Sin embargo, es necesario aplicar métodos de explotación con especialistas en minería a cielo abierto, con altas medidas de higiene y salud, contra la contaminación de polvos y agua, debido a que afloran de fácil extracción. En cambio, respecto a la concentración, refinado y purificación deberá capacitarse a especialistas en su metalurgia, para cada elemento de TR que implica un proceso sui géneris, de la especie mineralógica que los contiene.
Para la explotación, se exige aplicar todas las medidas de prevención ambiental y de higiene, tanto para los poblados aledaños, como de los trabajadores dedicados a los procesos metalúrgicos y de refinación. Esta medida no se debe soslayar, por la nociva experiencia tóxica que se tiene durante la concentración del titanio y minerales radiactivos asociados, que resultan como subproductos. Es decir, evitar tanto en polvos como en suelos, arroyos y del agua de pozos de uso doméstico.
Para arribar al potencial final de 32.4 millones de toneladas de tierras de raras en los estados de Oaxaca, Chiapas, Guanajuato, Jalisco, Tamaulipas y Sonora, se aplicaron datos mínimos promedio, para garantizar que los estudios geológicos-económicos de detalle en cada zona minera, sean congruentes en su conjunto. Esto es, que las exploraciones mineras con las de barrenación, podrán ampliar el potencial con nuevas aportaciones geológicas y económica, sobre la distribución de TR para cada región en estudio, mediante secciones, con espesores y contenidos químicos. Dentro de este contexto, se considera que el principal objetivo geológico será conocer la extensión basal del Grupo Oaxaca, en discordancia tectónica con TR explotables, que se estima pueda exceder de más del kilómetro. Para este propósito, tomará algunos años conocer las leyes precisas en % de tierras raras de cada zona prospectiva, con desarrollo de la geología de detalle y múltiples análisis químicos con inversión de grandes recursos.
Abstract
The distribution of Rare Earth deposits in the states of Oaxaca, Chiapas, Guanajuato, Jalisco, Tamaulipas, and Sonora is due to the exploration of radioactive minerals such as uranium and thorium, in the lithostratigraphic succession of the national territory. Due to their low concentration in the crust, they are commonly considered difficult to detect when a simple Geiger-Müller counter is enough to quantify the emission of ionizing radiation from prospective areas. This means measuring alpha, beta, and gamma particles emitted by thorium and uranium associated with Rare Earths (RE) in rocks from sedimentary, igneous, and metamorphic environments. Radioactivity indicates the RE associated in solid solution with thorium and uranium, in refractory minerals such as zircon, monazite, xenotime, thorianite, bastnaesite, loparite, bastite, apatite, sphene, thorite, magnetite, ilmenite, allanite, betafite, euxenite, biotite, clinopyroxenes, amphiboles, among others.
It is reported that several titanium deposits in Oaxaca, Chiapas, Guanajuato, Jalisco, Tamaulipas, and Sonora emit excessive background radioactivity, using Geiger-Müller counters, dosimeters, spectrometers, and X-ray fluorescence diffraction, with the presence of TR. Generally, they are distributed over tectonic discordances, oblique, basal parallel sequences of highly eroded Precambrian sequences, of great regional extent that expose billions of tons potentially available for exploration and eventual economic extraction. Collectively, they are quite accessible for their analysis and geochemical evaluation, exploitable through open-pit mining, for hauling, concentration, and eventual metal refining, in a process that is quite costly and complicated and requires expertise.
The great interest in Rare Earth Elements (REE) lies in their extensive applications and uses in electric vehicles, medical instruments, as well as in countless cutting-edge technologies, sophisticated space missiles, satellites, and armaments. They are the basis for chips to enhance the widespread use of everyday life instruments, such as parts of infinitely small magnet components, for color emission on cell phone screens and the buzzing of external calls. They are highly useful for keeping wind turbines spinning, as well as various attachments in space instruments and wireless devices with countless accessories, among many others.
The REE deposits under study encompass their location, distribution, and the geological characteristics that define their lithostratigraphic and spatial control, which were not quantified or evaluated in past decades due to the little technological and scientific interest they represented. On the other hand, their exploitation and metallurgical concentration required specialists for the quite complex refining processes. However, due to their high demand today, the deposits being addressed represent billions of tons potential for economic evaluation and reserves to support advanced research into their chemical concentration for each of the 17 elements that make up the Rare Earths.
Regarding the distribution and genesis of the TR deposits, it begins with the lithostratigraphic succession of the sedimentary volcanic arc of the Telixtlahuaca Supergroup, originating from the subduction of the Acatlán Supergroup to the east, around 1,600 Ma, which generated the rifting of oceanic opening (back-arc spreading) of the Oaxaca Structural Belt during the Mesoproterozoic. This event generated the mafic orthogneiss ridge and the alkaline migmatites of the El Catrín type area, which form the basal part of the volcanic arc of the Telixtlahuaca Supergroup, lying tectonically discordant over the paragneiss of the El Trapiche Group, the basal part of the Zimatlán Supergroup, from the Paleoproterozoic. Oceanic opening begins at the level of 1550 Ma during the Mesoproterozoic, towards the eastern part of the rifting, while to the west, the sedimentary facies of the Tenexpan Subgroup were developing, consisting of a marine carbonate platform and alternating coastal clastic wedge. The sequence concludes with a marine volcanic succession of andesites, dacites, and alkaline rhyolites, with pillow lavas from the La Unión Subgroup.
Therefore, the genesis of the deposits of the Oaxaca Structural Belt is interpreted with the lithostratigraphic succession of the Precambrian, which is based on the deposits of Huitzo-Etla, Telixtlahuaca, located to the northwest of the Oaxaca Valley. They consist of a succession of paragneiss with hornblende and biotite quartz-feldspathic bands of dark green-gray color with ilmenite, rutile, magnetite, apatite, and nelsonites. Titanium bands alternate with quartz-feldspathic bands and light cream-colored magnesium silicate phyllite rocks material, enriched by hydrothermal processes from the apophyses of the biotite and hornblende granitic batholith of Huitzo-Etla, from the Paleozoic that intrude the Tenexpan Subgroup and the La Unión Subgroup of the Oaxaca Group from the Mesoproterozoic. This Paleozoic plutonism event generated undeformed pegmatites with high content of TR associated with thorium, in hydrothermal solution, derived from the same paragneiss of the Tenexpan Subgroup.
This hydrothermal process can be seen towards the Valley of Oaxaca, due to the liquid-gaseous anatexis that assimilated the paragneiss of the Tenexpan Subgroup to generate extensive plutonism of Paleozoic anorthosites. It is believed that anatexis affected the succession of the basal Oaxaca Group and the facies of the Tenexpan Subgroup and La Unión Subgroup in the basal part of the Telixtlahuaca Supergroup from the Mesoproterozoic. These form a succession of gabbros, alkaline basalts, calci silicates, marine platforms, and coastal sandstones of beaches that define a clastic wedge, during the marine subduction to the east of the Acatlán Supergroup from the Mesoproterozoic.
Within the arc of the Telixtlahuaca Supergroup of the Oaxaqueña Structural Belt, the titanium-rutile mine La Libertad-Cristina, Acacoyagua, Chiapas, stands out for its richness, located near the Polochic-Motahua faults of the Caribbean plate, which involves several plutonic intrusions from the Paleozoic. Another important deposit is the Pluma-Hidalgo mine, Oaxaca, north of Pochutla, consisting of alkaline anorthosites, with plagioclases of andesine, antiperthites, between 20-30% q333333uartz, rutile crystals, ilmenite, and apatite, dispersed in a lenticular form. The significance of these deposits lies in their association with the same genetic process in time and space as the deposits of Huitzo-Etla, from the arc of the Telixtlahuaca Supergroup, as well as those of the Novillo Gneiss, to integrate an extension of 1200 km of the Oaxaqueña Structural Belt, from Chiapas to the state of Tamaulipas.
We can conclude that the genesis of the TRs originates from the extensive pleasures of marine and coastal platforms of the Tenexpan Subgroup from the Mesoproterozoic, which contained ilmenite, rutile, brookite, sphene, apatite in a quartz feldspathic matrix, enriched during the oceanic expansion of the Oaxaca Group. The nelsonites in Huitzo-Etla follow the banding of the foliation of the altered paragneiss, with contents ranging from 0.52% to 4.82% P2O5 and from 8.20% to 36.10% TiO2. Meanwhile, in the Novillo Gneiss, over the Peregrina Canyon, near the El Asbesto ranch and the Alamos stream, sequences of the Oaxaca Group and the Tenexpan Subgroup outcrop, with tabular nelsonites reporting: TiO2 – 29.46%; FeO – 32.75%; P2O5 – 12.64%. The nelsonites follow the foliated strata of the paragneiss, associated with plutonic events of Paleozoic alkaline anorthosites, which intrude into the volcanic arc of the Telixtlahuaca Supergroup.
On the other hand, the genesis of another type of TR deposits occurring in the sequences of “iron formation”, type superior BIF, of the Valdeflores and Coyotillo groups, at the top of the El Rosario Geosyncline, of the Zimatlán Supergroup of the Paleoproterozoic, distributed in the states of Oaxaca and Sonora respectively, with an age of 2,500 Ma, is analyzed. Its importance lies in the high radioactivity emitted with a high content of thorium in refractory minerals associated with magnetite, thorite, apatite, monazite, and zircon, associated with iron and silica. Although the sequences of the “iron formation” are very eroded due to tectonic discordances, all iron deposits in Oaxaca, Michoacán, Jalisco, Colima, Sinaloa, Sonora and Chihuahua are due to sedimentary concentrations from the Early Cretaceous, left during the oceanic expansion of the Mexican Geosyncline, with refractory minerals containing thorium associated with rare earth-rich apatite. In this sense, it is established that the concentrations of magnetite in Lower Cretaceous sequences originate from the erosion of the “iron formations” of the Valdeflores Group, from the Zimatlán Supergroup of the El Rosario Geosyncline of the Paleoproterozoic.
It is important to note that the REE deposits are easily accessible due to their lithostratigraphic control for exploration in time and space. In other words, their assessment and scientific research represents significant progress regarding the nature of the Precambrian sequence in Mexico, which, due to its extensive distribution, is unknown in the various geological maps of the national territory. This means that geological research on the REE will involve appreciating the extensive distribution of Precambrian rocks and the succession in the crust.
As the main topic, six models with the presence of Rare Earth Elements are described, documented in the lithostratigraphic succession, based on the high radioactivity they exhibit associated with titanium, closely linked with high thorium content and lesser amounts of uranium in refractory detritals of zircon, monazite, xenotime, bastnäsite, sphene, thorite, apatite, ilmenite, magnetite, biotite, hornblende, clinopyroxenes, thorianite, bastnasite, loparite, euxenite, among others. It stands out that the Rare Earths are of much higher concentration and content than thorium, varying according to the mineral species. This is derived from chemical studies in the laboratories of the then National Commission of Nuclear Energy, conducted from the pegmatites of the Huitzo-Etla region and the Valley of Oaxaca and later throughout the national territory.
From the assessments made, it is concluded that the country is self-sufficient in the economic production of the rare earths (RE) for the coming decades and their application in advanced technologies. However, it is necessary to implement exploitation methods with specialists in open-pit mining, with high standards of hygiene and health, against dust and water pollution, due to their easy extraction. In contrast, regarding the concentration, refining, and purification, specialists in metallurgy must be trained for each RE element, which involves a unique process, depending on the mineralogical species that contains them.
For exploitation, it is required to apply all environmental prevention and hygiene measures for nearby communities, as well as for workers engaged in metallurgical and refining processes. This measure should not be overlooked, due to the harmful toxic experience during the concentration of titanium and associated radioactive minerals, which result as by-products. That is to say, avoiding both dust and contamination in soils, streams, and well water intended for domestic use.
To reach the final potential of 32.4 million tons of rare earths in the states of Oaxaca, Chiapas, Guanajuato, Jalisco, Tamaulipas, and Sonora, minimum average data were applied, to ensure that detailed geological-economic studies are conducted in each mining area are consistent as a whole. That is, mining explorations combined with drilling will be able to enhance the potential with new geological and economic contributions regarding the distribution of rare earth elements (TR) for each region under study, through sections, with thicknesses and chemical contents. Within this context, it is considered that the main geological objective will be to know the basal extent of the Oaxaca Group, in tectonic discordance with exploitable TR, which is estimated to exceed more than a kilometer. For this purpose, it will take several years to determine the precise grades, in % of rare earth elements in each prospective area, with the development of detailed geology and multiple chemical analyses involving significant investment.
Introducción
Usos y Aplicaciones Tecnológicas de las Tierras Raras.
Por lo que respecta al uso y aplicaciones de las TR, existe una extensa literatura sobre cada uno de los 17 elementos que las constituye, tanto en la industria espacial como en la doméstica, algunas ilustradas y bastante completas. Por otra parte, para usos y aplicaciones domésticas en el hogar es variada y generalizada, de gran cantidad de instrumentos que incluye instalaciones médicas. Con el propósito de conocer la utilidad del uso y aplicación de las TR, se documentó el presente artículo con una compilación de las publicaciones siguientes: Capparelli, Alberto et. al. (2021); Global Threat Report (2025); C.H. Evans (1996); Turkovi, A. Z. Cmjak Orel (1997); Balusamy et al. (2012), entre las de mayor contenido.
Los elementos de TR se utilizan en muchas tecnologías de la vida cotidiana, como imanes permanentes infinitamente pequeños, que permiten colorear las pantallas de los celulares y hacer zumbar las llamadas. También, mantener girando las turbinas eólicas, como instrumentar los movimientos de vehículos eléctricos, hacer zoom en infinidad de tecnologías de punta, sobre todo en armamento de tipo digital, entre otras muchas aplicaciones. Por tanto, las TR son vitales para las sociedades industrializadas de todo el mundo, al utilizar una gama de componentes en instalaciones de reactores nucleares, teléfonos celulares, pantallas, imanes, lentes, cámara, vehículos eléctricos, satélites y baterías, entre muchos más.
Las TR destacan por sus grandes usos y aplicaciones, ahora de gran demanda mundial como materias primas no energéticas, con inusitado crecimiento sin precedentes en el siglo XXI. Por esta razón, se aplican importantes recursos económicos ante la gran demanda en el sector industrial. Sin embargo, algunos elementos que incluyen al escandio, itrio y los lantánidos, se manipulan en forma inadecuada para provocar graves daños ambientales. De ahí, que tanto en los grandes yacimientos como en las estructuras industriales de concentración y refinación, deben estar asistidos con técnicos experimentados y especialistas.
Las TR consisten en 17 elementos, quince de ellos se agrupan en la Tabla Periódica como lantánidos, más escandio y el itrio. China controla el mercado de la extracción y del refinado de estos elementos; además, de fabricar aleaciones metálicas. Se denominan Tierras Raras por su aparente escasez, cuando en la corteza son bastante abundantes, dispersas por todo el planeta, pero difícil de explotar y de aislar en los procesos metalúrgicos. Sin embargo, desde su extracción minera, acarreo, hasta su concentración química, representa un problema social contra el medio ambiente por la gran contaminación generada en suelos y cuerpos de agua.
El interés económico y estratégico que representan las TR para las grandes naciones industriales, radica en sus cualidades químicas y físicas asombrosas, debido al singular arreglo orbital de los electrones en los átomos. Los electrones se enlazan con otros elementos en forma sorprendente, para emitir luz y potenciar cualidades magnéticas. Por ejemplo, el Cerio funciona como catalizador para refinar petróleo y el Gadolinio permite capturar neutrones en los reactores nucleares, los demás elementos de TR emiten propiedades electrónicas peculiares que tienen aplicaciones específicas en la industria espacial.
Además de emitir color por fluorescencia en papel moneda, al someterlo a luz ultravioleta comprueban su autenticidad, así como potenciar señales en distancias kilométricas mediante alambres de fibra óptica, bajo los océanos. Evita usar imanes permanentes más grandes, potentes y fiables, infinitamente más pequeños en muchos instrumentos motrices. Generan sonidos en auriculares que impulsan la información digital del espacio para cambiar las trayectorias de los misiles balísticos buscadores de calor. Así pues, en este espacio se limitan las interminables aplicaciones y los usos sobre las TR y las que están por advertir.
Podemos resumir que las cualidades de los átomos de las TR, radican en la disposición de las zonas orbitales electrónicas, más alejadas del núcleo, que facilitan los enlaces con otros átomos. Por tanto, existen diferencias notables para cada elemento en propiedades magnéticas y de luminiscencias para emitir longitudes de onda muy precisas, aún para láseres de alta potencia.
Las abreviaturas de las Tierras Raras
Las TR de nombre colectivo asignado para los 17 elementos metálicos de química similar, comprende los 15 elementos de lantánidos, más escandio e itrio, que ocurren en más de 200 especies mineralógicas de la corteza. Se presentan en contenidos variables asociadas principalmente con el torio, en minerales refractarios a la disolución meteórica. Los minerales que más destacan por su mayor contenido de TR son la monacita, torita, torianita, bastnasita, xenotima, loparita, apatita. circón, ilmenita, comúnmente en yacimientos de titanio de placer.
Generalmente las TR se dividen en elementos de tierras raras ligeras (LREE) y en elementos de tierras raras pesadas (HREE). Estos últimos se encuentran en concentraciones relativamente más bajas en la corteza. Debido a sus similitudes químicas, la extracción de TR implica un proceso técnicamente complicado, que requiere experiencia metalúrgica y de refinación costosa y con medidas higiénicas intensas del medio ambiente. Sin embargo, la concentración de las TR es menos complicada que para el titanio que implica un proceso altamente tóxico por la contaminación del suelo, el aire y agua, que afecta a las poblaciones aledañas.
Las TR se presentan como inclusiones cristalinas en casi todos los minerales de ambiente sedimentario; tanto en rocas metamórficas, como en las ígneas de cualquier tipo. El tulio y el lutecio son los elementos de TR menos abundantes, cada uno tiene promedios de casi 200 veces mayor que la del oro. Sin embargo, los elementos de TR son difícil de extraer por la muy baja concentración en la corteza, que requieren condiciones geológicas para cada depósito primario. Esto se origina por el arrastre detrítico de corrientes fluviales hacia las playas litorales, donde las oscilaciones fluctuantes de mares por transgresiones y regresión, enriquece las arenas cuarcíferas con minerales refractarios de alto contenido de TR y titanio.
Los elementos de tierras raras más abundantes son cerio, itrio, lantano y neodimio, con abundancia promedio similar a los metales industriales del cromo, el níquel, cobalto, molibdeno, tungsteno y la plata, raramente en concentrados de alta pureza extraíble. Por fortuna, en México su exploración aparece muy accesible para investigar su gran extensión y extracción con movimiento de grandes volúmenes de roca. Una vez definido un yacimiento potencial de TR con grandes reservas económicas, el siguiente proceso será tomar medidas de higiene del medio ambiente.
Las abreviaturas en inglés son comunes a nivel mundial para entender cualquier contexto donde se introduzcan, simplificadas, como sigue: LREE = light rare-earth element (elementos ligeros de tierras raras) y HREE = heavy rare-earth element (elementos pesados de tierras raras). Los 17 elementos de tierras raras en la Tabla Periódica comprenden los términos siguientes: cerio (Ce), disprosio (Dy), erbio (Er), europio (Eu), gadolinio (Gd), holmio (Ho), lantano (La), lutecio (Lu), neodimio (Nd ), praseodimio (Pr), prometió (Pm), samario (Sm), escandio (Sc), terbio (Tb), tulio (Tm), iterbio (Yb) e itrio (Y). A menudo se encuentran en minerales asociados al torio (Th), en solución sólida y con menos frecuencia en minerales con uranio (U), debido a su gran movilidad, como se distribuyen en la tabla periódica siguiente:
- Las caracteristicas y propiedades de las Tierras Raras
- Las propiedades comunes se aplican tanto a los lantánidos como a los actínidos.
- Las tierras raras son metales plateados, blancos con brillo o grises. Los metales tienen un alto brillo, pero se alteran fácilmente con el aire.
- Los metales tienen alta conductividad eléctrica.
- Las tierras raras comparten muchas características y propiedades comunes.
- Esto hace difícil separarlos o incluso distinguirlos entre sí.
- Existen diferencias muy pequeñas en solubilidad y formación entre los elementos.
- Los metales de tierras raras ocurren asociados como en la monacita y bastnasita.
- Las tierras raras se encuentran en los no metales, en estado de oxidación 3+.
- Tienen poca tendencia a variar la valencia.
- El europio tiene valencia de 2+ y el cerio valencia de 4+.
Descubrimiento histórico de las Tierras Raras
Según relatos históricos documentados por Baran, J. E. (2016), sobre la fascinante historia del descubrimiento de las tierras raras, se resumen a partir del primer elemento descubierto por Carl Axel Arrhenius en 1787, en una cantera del pueblo de Ytterby, Suecia, rebautizado después como gadolinita en 1800. Mas tarde en 1794, en la mina Bastnäs de Riddarhyttan en Suecia, en un mineral de hierro y tungsteno, examinado por Jöns Jacob Berzelius y Wilhelm Hisinger en 1803, obtienen óxido blanco que llamaron cerio. Por tanto, había dos elementos conocidos de tierras raras, itrio y cerio, con similitud de propiedades químicas en los dos metales que dificultaba su clasificación.
Hacia 1839, Carl Gustav Mosander, un asistente de Berzelius descubridor del cerio, separó con ácido nítrico sal soluble de lantano y didimio. En 1842, Mosander del itrio separó tres óxidos: itrio puro, terbio y erbio, derivados de la ciudad «Ytterby». No hubo descubrimientos durante 30 años y el elemento didimio se incluyó en la tabla periódica de elementos con masa molecular de 138. Hacia 1879, Delafontaine utilizó el nuevo proceso físico de espectroscopía de llama óptica y encontró varias líneas espectrales nuevas en el didimio. Asimismo, en 1879 el elemento samario fue aislado por Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, del mineral samarskita.
Del elemento samario Lecoq de Boisbaudran y Jean Charles Galissard de Marignac en 1886, obtuvieron resultados similares por aislamiento directo de la samarskita, que llamaron gadolinio en referencia a Johan Gadolin y al óxido se llamó “gadolinia”. Otros análisis espectroscópicos entre 1886 y 1901 del samario, itrio y samarskita por William Crookes, Lecoq de Boisbaudran y Eugène-Anatole Demarçay arrojaron varias líneas espectroscópicas nuevas que indicaban un elemento desconocido, por cristalización fraccionada de los óxidos para el europio en 1901.
El uso del espectro por cristalografía de rayos X, permitió a Henry Gwyn Jeffreys Moseley asignar números atómicos a los elementos. Moseley descubrió que el número exacto de lantánidos debían ser 15 y ese elemento 61 aún no se había descubierto.
Las fuentes principales de TR comprenden minerales de bastnäsita, monacita, loparita y las arcillas lateríticas de adsorción de iones. A pesar de su alta abundancia relativa, los elementos son difíciles de extraer, para resultar relativamente caros. El uso industrial entonces está limitado, en desarrollar técnicas analíticas de separación eficientes, debido al intercambio iónico, la cristalización fraccionada y la extracción de líquido a líquido. Por ejemplo, los concentrados de ilmenita contienen pequeñas cantidades de escandio y otros elementos de TR, analizadas mediante técnicas de difracción por fluorescencia de rayos “X”. Así, los elementos existentes se pueden conocer por muestras representativas del depósito para su evaluación económica.
Clasificación de Tierras Raras ligeras y las pesadas
La clasificación más común entre los elementos de TR, se realiza mediante números atómicos; aquellos que tienen números atómicos bajos se denominan elementos de tierras raras ligeras (LREE), los que tienen números atómicos altos son elementos de tierras raras pesadas (HREE). A los intermedios, generalmente se denominan elementos de tierras raras medias (MREE).
Los elementos de TR con números atómicos del 57 al 61 se clasifican como ligeros y aquellos con números atómicos mayores al 62, correspondiente al samario, se clasifican como elementos de TR pesadas. El europio está exento de esta clasificación, ya que tiene dos estados de valencia. El itrio se agrupa como un elemento pesado debido a las similitudes químicas. A continuación, se presenta la agrupación de tierras raras ligeras y pesadas. Los elementos de tierras raras ligeras comprenden: Lantano, Cerio, Praseodimio, Neodimio, Prometió, Samario. Los elementos de tierras raras pesadas son: Europio, Disprosio, Terbio, Erbio, Holmio, Lutecio, Iterbio, Tulio, Gadolinio, Itrio.
La diferencia de las Tierras Raras con otros elementos
Los metales de TR, cuando se observan anatómicamente, parecen ser inseparables entre sí. Son casi exactamente iguales en términos de sus propiedades químicas. Sus propiedades electrónicas y magnéticas, son únicas, ocupan pequeños espacios en tecnología, para los imanes en motores eléctricos y generadores. En las baterías recargables son comunes para vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos. Tienen amplia aplicación en pantallas de televisores, teléfonos móviles y computadoras. Como catalizadores se emplean en la industria del petróleo y en la reducción de emisiones de gases en vehículos.
A pesar del nombre, las TR no son extrañas en términos de abundancia en la corteza, pero su extracción y procesamiento es complejo y costoso. Se declara necesario explotar grandes volúmenes de millones de toneladas métricas sostenibles, para evitar depender de otros países productores que las contiene en exceso. Cuando ocurren en baja concentración y limitado tonelaje, no son explotables por su bajo rendimiento económico, o bien cubiertas por grandes espesores de rocas. Por otra parte, algunas TR aparecen en particulares tipos de yacimientos que las hacen codiciables. Por ejemplo, el neodimio, es importante para fabricar imanes permanentes, de alta potencia, sin ellos no podrían generarse altos campos magnéticos, presentes en la resonancia magnética nuclear. Tampoco podríamos tener los motores de molinos de viento para generar energías renovables, así como en motores de patinetas eléctricas. Por su propiedad móvil en placas fotovoltaicas, tienen amplia aplicación en la industria aeroespacial que utiliza el neodimio, del cual China es gran exportador. Todas las tierras raras son fundamentales y parte del problema del gran desabasto, para las naciones altamente industrializadas.
Reservas y producción mundial de Tierras Raras
Hasta 1948, la mayoría de TR provenían de los depósitos de arenas de placer en India y Brasil. Durante la década de 1950, Sudáfrica fue la fuente de TR del mundo, gracias a un arrecife rico en monacita de la mina Steenkampskraal en la provincia de Western Cape. Durante la década 1960 hasta la de 1980, la mina de TR Mountain Pass en California, convirtió a los Estados Unidos en el principal productor. Los depósitos indios y sudafricanos todavía producen algunos concentrados de TR, pero la gran producción de China los empequeñece. En 2017, China produjo el 80% del suministro mundial de TR, principalmente de Mongolia Interior, aunque solo tenía el 37% de las reservas. Australia fue el segundo y único productor importante con el 15% de la producción mundial hasta 2020. La demanda aumenta por la creciente importancia de las energías renovables en todo el mundo. Los elementos como el neodimio y el praseodimio son indispensables para energías limpias de alta tecnología. Por supuesto, se usan en vehículos eléctricos, los híbridos, satélites, misiles espaciales, pantallas, instrumentos y aparatos médicos de toda especie que requieren de la producción de TR.
Casi todas las TR pesadas del mundo, como el disprosio, provienen de fuentes chinas del depósito polimetálico Bayan Obo. La mina Browns Range, ubicada a 160 km al sureste de Halls Creek, en el norte de Australia Occidental, desarrolla un gran yacimiento para convertirse en el primer productor significativo del disprosio fuera de China. La estadística de producción y de reservas es imprecisa año con año por falta de información veraz, debido a que la mayoría de las naciones inician la exploración, desarrollo y explotación de sus yacimientos.
Cualquier información sobre reservas y producción de concentrados y refinados de tierras raras, será muy diferente en los próximos años y podrán aparecer nuevos países en la estadística mundial. Es necesario insistir que la estadística de producción y reservas es bastante aleatoria por inexacta y por falta de información confiable. Sin embargo, China seguirá destacando por el gran potencial de sus reservas y la producción de elementos de las TR refinadas. La gran cantidad de información sobre reservas y producción de concentrados y refinados de elementos de TR en su gran mayoría, son reiterativas, que dejan más dudas que certeza.
Otra forma de medir el potencial de reservas de TR, con índices más bien comparativos en kilotoneladas, son referencias del orden siguiente: Australia: 17; Brasil 2; China 250; India 3; Madagascar 3; Rusia 12; Tailandia 8; Ucrania 5; USA 6; Vietnam 22, para destacar el gran potencial que representa China en reservas. Se insiste que la estadística de producción y reservas es bastante aleatoria por inexacta. Cuando Suecia, Dominicana y Birmania arriben tendrán gran potencialidad futura.
La gran producción de China, encabezará por décadas las mayores reservas de TR, al poseer enormes yacimientos estimados en 44 millones de toneladas métricas. Hacia 2023, lideró la producción mundial con 240,000 t/M. Desde la década de 1970, destina significativas inversiones en la extracción y procesamiento de estos elementos, para consolidar su dominio no solo en la minería, sino también en la refinación, en una etapa clave para aplicación con tecnologías avanzadas.
Para estas notas, se consideran los tres países principales que encabezan las reservas y la producción mundial, sólo con fines comparativos y del resto, para sumar doce entidades, como potenciales para los siguientes años, como sigue:
| País | Reservas en millones de Tierras Raras en t/M | Producción de Concentrados de Tierras Raras en t/M |
| 1. China | 44 | 240,000 |
| 2. Vietnam | 22 | Sin Prod. |
| 3. Brasil | 21 | 1,000 |
| 4. Rusia | 12 | 2,700 |
| 5. India | 7 | 3,000 |
| 6. Australia | 6 | 21,000 |
| 7. Ucrania | 5 | Sin Prod. |
| 8. USA | 2 | 45,000 |
| 9. Groenlandia | 1.5 | Sin Prod. |
| 10. Birmania | Reservas Poten. | 8,000 |
| 11. Dominicana | Reservas Poten. | Sin Prod. |
| 12. Suecia | Reservas Poten. | Sin Prod. |
Extracción de Tierras Raras: un proceso desafiante
Al contrario de lo que ocurre con otros minerales, las tierras raras no suelen encontrarse en depósitos concentrados. En lugar de eso, están dispersas en diferentes tipos de rocas y minerales, lo que obliga a procesar grandes cantidades de material para obtener pequeñas cantidades de estos elementos.
Los elementos más requeridos por los grandes consumidores y de mayor precio son 8 de los 17, relacionados con la industria aeronáutica, drones, imanes, robots, misiles, y la energía renovable, turbinas, vehículos eléctricos, son el escandio, disprosio, gadolinio, lutecio, samario, holmio, escandio, terbio.
Continuará…
Industria Minera Indio, S. A. (IMI)
